無線網(wǎng)絡(luò)中物理定位技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　設(shè)計(論文)題目：無線網(wǎng)絡(luò)中物理定位技術(shù)研究</p><p>　　2010 年 06 月 17 日</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院（直屬系）：應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 時間：2010年03月15日</p

2、><p>　學(xué) 生 姓 名xx指 導(dǎo) 教 師xx</p><p>　設(shè)計（論文）題目無線網(wǎng)絡(luò)中物理定位技術(shù)研究</p><p>　主要研究內(nèi)容1、基于IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)中關(guān)鍵定位技術(shù)。2、深入研究對稱和非對稱兩種基于環(huán)境因子和系數(shù)的定位技術(shù)。3、研究新的基于插值方法的定位系統(tǒng)，根據(jù)探測到的信號強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行定位。</p><

3、;p>　研究方法1、大量查閱中外文獻(xiàn)。2、咨詢相關(guān)專業(yè)的業(yè)內(nèi)人士及導(dǎo)師。</p><p>　主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))1、掌握無線局域網(wǎng)的相關(guān)知識。2、熟悉各種無線局域網(wǎng)絡(luò)的物理定位技術(shù)。3、了解無線局域網(wǎng)相關(guān)方面的安全技術(shù)。</p><p>　主要參考文獻(xiàn)基于無線局域網(wǎng)IEEE802.11 技術(shù)的地理空間定位方法</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)中物理定位技術(shù)研

4、究I</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義1</p><p>　　1.1.1 無線局域網(wǎng)概述1</p>

5、<p>　　1.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)面臨的安全問題2</p><p>　　1.1.3 無線網(wǎng)絡(luò)常用的安全技術(shù)4</p><p>　　1.1.4 研究意義6</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.1 位置服務(wù)的發(fā)展概況6</p><p>　　1.2.2 按測量和計算實體

6、的不同分類7</p><p>　　1.2.3 按定位技術(shù)分類8</p><p>　　1.3 論文研究內(nèi)容8</p><p>　　第二章 無線定位技術(shù)的理論基礎(chǔ)9</p><p>　　2.1 無線定位相關(guān)概念9</p><p>　　2.1.1 物理位置信息和抽象位置信息9</p><p&g

7、t;　　2.1.2 相對位置和絕對位置11</p><p>　　2.1.3 定位精度和定位準(zhǔn)確度11</p><p>　　2.2 無線局域網(wǎng)定位具體技術(shù)12</p><p>　　2.2.1 基于 GPS 的定位技術(shù)12</p><p>　　2.2.2 起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)14</p><p>　　2.2.3

8、到達(dá)時間定位法15</p><p>　　2.2.4 到達(dá)時間差定位16</p><p>　　2.2.5 到達(dá)角度定位法17</p><p>　　2.2.6 基于無線信號場強(qiáng)衰減的定位方法18</p><p>　　2.2.7 基于信號強(qiáng)度指紋的定位技術(shù)19</p><p><b>　　2.3 小結(jié)2

9、0</b></p><p>　　第三章 基于功率和環(huán)境因子的定位模型22</p><p>　　3.1 無線信道信號強(qiáng)度衰減模型和相關(guān)公式22</p><p>　　3.1.1 自由空間模型22</p><p>　　3.1.2 兩線地面反射模型23</p><p>　　3.1.3 影子模型23<

10、/p><p>　　3.2 對稱的三點定位模型26</p><p>　　3.2.1 物理定位探測的初始條件26</p><p>　　3.2.2 方程組的建立27</p><p>　　3.2.3 求解預(yù)備知識28</p><p>　　3.2.4 求解攻擊主機(jī)物理位置29</p><p>　　3

11、.2.5 物理定位的結(jié)果31</p><p>　　3.3 非對稱的三點定位模型32</p><p>　　3.3.1 物理定位探測的初始條件32</p><p>　　3.3.2 方程組的建立33</p><p>　　3.3.3 求解攻擊主機(jī)的物理位置33</p><p>　　3.3.4 動態(tài)調(diào)整功率和環(huán)境因子

12、34</p><p><b>　　3.4 小結(jié)34</b></p><p>　　第四章 基于插值方法的定位模型35</p><p>　　4.1 信號衰減規(guī)律研究35</p><p>　　4.2 方程組的建立36</p><p>　　4.3 求解物理位置37</p><

13、p>　　4.4 線性插值算法39</p><p><b>　　4.5 小結(jié)39</b></p><p>　　第五章 結(jié)束語40</p><p><b>　　5.1 總結(jié)40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><

14、p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　附錄（中文）43</b></p><p><b>　　附錄（英文）44</b></p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)中物理定位技術(shù)研究</p><p><b>　　摘要</b></p&

15、gt;<p>　　IEEE802.11 無線局域網(wǎng)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在近幾年里得到了快速的普及，但是由于安全機(jī)制不夠完善，仍然存在較多的安全問題。因此在無線局域網(wǎng)快速發(fā)展的同時，不僅需要增強(qiáng)無線局域網(wǎng)自身的安全性，也需要對無線局域網(wǎng)中的非法行為進(jìn)行懲治。由于無線網(wǎng)絡(luò)的特殊性，使得對進(jìn)行非法活動主機(jī)的定位追蹤成為一個急需解決的問題。</p><p>　　目前的無線局域網(wǎng)物理定位模型由于信號常常受

16、到環(huán)境因數(shù)干擾，難以準(zhǔn)確地描述信號強(qiáng)度與距離的變化規(guī)律，影響定位的精確性。針對這些問題設(shè)計了基于環(huán)境因子定位模型和基于插值的定位模型，模型能準(zhǔn)確地描述信號強(qiáng)度和距離的相對變化規(guī)律，由此彌補(bǔ)了由信號強(qiáng)度波動引起的偏差，并且通過調(diào)整衰減比例得到比傳統(tǒng)算法更好的精確度，同時降低了傳統(tǒng)模型采樣的復(fù)雜性。</p><p>　　在基于環(huán)境因子的物理定位模型中，使用對稱的三個定位節(jié)點推導(dǎo)出三個探測器彼此之間的最佳距離和可信探測

17、區(qū)間的最大半徑。在非對稱的三點定位模型中采用動態(tài)調(diào)整環(huán)境因子的方法對每個節(jié)點進(jìn)行計算，實現(xiàn)任意位置布置探測點，彌補(bǔ)了對稱定位模型的不足?；诓逯档亩ㄎ荒Ｐ屯ㄟ^固定位置進(jìn)行采樣。三個探測器根據(jù)信號強(qiáng)度和距離的相對變化規(guī)律在實際環(huán)境中動態(tài)的調(diào)整，能夠快速查找入侵節(jié)點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)，物理定位，信號強(qiáng)度，入侵節(jié)點</p><p><b>　　Abstract&

18、lt;/b></p><p>　　As a new network technique，IEEE802.11 WLAN has disseminated quickly theseyears，but it still has a few security problems to solve. In this case，we does not only needto develop the security

19、technique quickly，in order to enhance the security of WLAN itself，but also needs to punish illegal acts in WLAN. As the particularity of wireless network，Location Determination technique for llegal host computer becomes

20、a clamant needs.</p><p>　　The current model of wireless LAN physical location because of signal interference are often affected by environmental factors, difficult to accurately describe the signal strength

21、and range of changes and the impact of positioning accuracy. In light of these problems based on the design of environmental factors and the model based on the location of the targeted model interpolation, the model can

22、accurately describe the signal strength and distance, the relative changes in laws, which make up t</p><p>　　KeyWords：Wireless LAN, physical location, signal strength, invasion node</p><p><b

23、>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　作為有線網(wǎng)絡(luò)的無線延伸，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代生活的方方面面。例如在生活社區(qū)、游樂園、旅館、機(jī)場車站等游玩區(qū)域?qū)崿F(xiàn)旅游休閑上網(wǎng)；應(yīng)用在政府辦公大樓、校園、企事業(yè)單位實現(xiàn)移動辦公，方便開會及上課等；也有應(yīng)用在醫(yī)療、金融證券等方面，實現(xiàn)醫(yī)生在路途中對病人在網(wǎng)上診斷，實現(xiàn)金融證券室

24、外網(wǎng)上交易；應(yīng)用在軍事部門的臨時無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)快速組網(wǎng)通訊。對于難于布線的環(huán)境，例如老式建筑等；對于頻繁變化的環(huán)境，如各種展覽大樓；對于臨時需要的寬帶接入，流動工作站等，都廣泛的應(yīng)用了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　1.1.1 無線局域網(wǎng)概述</p><p>　　無線局域網(wǎng)是指以無線信道作為傳輸媒介的計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它無需線纜介質(zhì)， 利用電磁波在

25、空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能， 能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。它是對有線聯(lián)網(wǎng)方式的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展，使網(wǎng)上的計算機(jī)具有可移動性，使傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由有線走向無線， 由固定走向移動， 使計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在架設(shè)時從復(fù)雜的雙絞線中解脫出來，終端的接入也變得更為靈活、隨意，在一定程度上擺脫了由于硬件布線帶來的種種不便。無線局域網(wǎng)由無線網(wǎng)卡(NetworkInterface Card，NIC)、無線接入點(Ac

26、cess Point，AP)、無線終端和其他相關(guān)設(shè)備組成。按照與有線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，無線局域網(wǎng)分為了對等網(wǎng)絡(luò)(Adhoc mode)和基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(Infrastructure mode)兩種，目前廣泛采用的是第二種模式。在這種方式下，以有線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過無線接入點為中心向局域網(wǎng)中所有主體提供接入服務(wù)。無線終端通過接入點訪問骨干網(wǎng)上的設(shè)備，或者互相訪問。接入點如同一個網(wǎng)橋，它負(fù)責(zé)在802.11 和802.3MAC協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一個&l

27、t;/p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸利用紅外線或者無線電波在空氣中進(jìn)行傳播，因此只要在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)， 所有的無線終端都可以接收到無線信號，無線接入點無法將無線信號定向到一個特定的接收設(shè)備。由于這種傳輸媒體共享的傳輸方式，使得無線網(wǎng)絡(luò)相對于有線網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時更容易被竊聽，這導(dǎo)致了通信過程中最基本的保密性受到嚴(yán)重的威脅。而且也正因為這樣的性質(zhì)，使得無線網(wǎng)絡(luò)中的信息無法被隔離保護(hù)，傳統(tǒng)的防火墻等手段阻止無線

28、電波的網(wǎng)絡(luò)通訊都是徒勞的。</p><p>　　無線電波在傳播過程中會不斷的衰減，導(dǎo)致 AP 的通訊范圍被限定在一定的范圍以內(nèi)。這個范圍被稱為微單元。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在多個AP，且它們的微單元有一定的重合時，無線用戶可以在整個無線局域網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)移動無線網(wǎng)卡能夠自動發(fā)現(xiàn)附近信號強(qiáng)度最大的AP 并通過這個AP 收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接。整個漫游過程對用戶來說是透明的，雖然提供連接服務(wù)的接入點發(fā)生了切換，但對用戶的

29、服務(wù)卻不會被中斷。但正是由于這種即興式移動網(wǎng)絡(luò)的特性，用戶的位置不像有線網(wǎng)絡(luò)的位置那樣固定，導(dǎo)致實現(xiàn)定位的過程有一定的難度。</p><p>　　1.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)面臨的安全問題</p><p>　　無線局域網(wǎng)雖然具有易于實施，減小成本和管理代價，靈活及效率高的特點，但是無線技術(shù)缺乏固有的物理保護(hù)，容易遭受更多的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊，而且不容易檢測。無線局域網(wǎng)技術(shù)最大的弱點就是其安全性，其安全問

30、題使不少企業(yè)望而卻步，成為WLAN 市場拓展的絆腳石。無線局域網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)本身的物理鏈路就是一種訪問控制。用戶必須通過線纜或光纖連接到網(wǎng)絡(luò)上才能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的訪問。而無線網(wǎng)絡(luò)的信息的傳輸載體是無線電波，就使其無法像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)那樣可以實現(xiàn)物理上的隔離來保障整個局域網(wǎng)的信息安全。入侵者可以通過使用遵循相同標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，輕易截獲網(wǎng)絡(luò)信息流。因此，無線局域網(wǎng)較之傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，存在更多的安全隱患。如何解決其所存在的安全問題，直接關(guān)系到無線

31、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在企業(yè)級的推廣應(yīng)用。</p><p>　　我國在無線網(wǎng)絡(luò)安全研究方面起步較晚，對無線局域網(wǎng)安全技術(shù)有一些研究，但同國外相比較，還存在著較大的差距，無法適應(yīng)無線局域網(wǎng)市場迅猛發(fā)展趨勢下對安全服務(wù)的需求。因此，深入研究無線局域網(wǎng)安全體系，特別是廣泛使用的IEEE802.11 無線局域網(wǎng)安全機(jī)制，研究其中存在的安全缺陷，對這些安全漏洞進(jìn)行分析并給出有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的理論和技術(shù)成果，為未來產(chǎn)業(yè)化提供理論指導(dǎo)和技

32、術(shù)支持，是當(dāng)前信息安全領(lǐng)域一項緊迫的任務(wù)。</p><p>　　80年代中后期，隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和融合，出現(xiàn)了大型信息系統(tǒng)或通信系統(tǒng)。針對信息系統(tǒng)的新型攻擊手段應(yīng)運而生，各種被動攻擊手段、主動攻擊手段層出不窮。1995 年計算機(jī)安全雜志在全球抽樣調(diào)查了300 家典型的公司，69%的公司報告上年度遇到過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全問題，59%的公司報告，各種安全問題造成的損失超過1 萬美元。1996 年3

33、 月美國《Computer Fraud Security》載文“保證網(wǎng)絡(luò)安全的加密措施”中說：近期美國《信息周刊》的Ernsr & Young 信息安全調(diào)查報告指出，在過去的一年中，約五分之一的公司的網(wǎng)絡(luò)被非法侵入。偷竊來的信息資料在國際互連網(wǎng)上定期交易。聯(lián)邦執(zhí)法官員估計每年在美國約有100億美元的數(shù)據(jù)被聯(lián)機(jī)竊取。因此，網(wǎng)絡(luò)安全也一直受到了人們的極大關(guān)注和重視。任何網(wǎng)絡(luò)(包括有線網(wǎng)絡(luò))都容易存在以下網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，其中有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部用

34、戶的攻擊、非授權(quán)用戶的越權(quán)訪問、外部人員的竊聽、拒絕服務(wù)攻擊等。</p><p>　　無線局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)是無線電波(紅外線的距離比較短，以及其他物理特性限制了它的廣泛使用)。無線電波不能控制，能自由跨越物理障礙，使得無線網(wǎng)絡(luò)更容易攻擊，讓非授權(quán)用戶截獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。AP 使用2.4HZ 的無線信號，任何具有無線網(wǎng)卡或者頻率掃描設(shè)備的計算機(jī)都能訪問。802.11 標(biāo)準(zhǔn)要求無線網(wǎng)卡工作在混雜模式，使得整個網(wǎng)絡(luò)信息通過

35、無線電波廣播。因此，無線網(wǎng)絡(luò)的竊聽更加容易。</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)也容易遭受拒絕服務(wù)攻擊。當(dāng)非授權(quán)的移動設(shè)備傳輸大量的數(shù)據(jù)給AP，AP 將不能正常工作。</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)容易加入惡意的 AP，這些沒有授權(quán)的AP 容易給其他無線設(shè)備提供后門。無線局域網(wǎng)雖然具有易于實施，減小成本和管理代價，靈活及效率高的特點，但是無線技術(shù)缺乏固有的物理保護(hù)，容易遭受更多的網(wǎng)絡(luò)安全攻擊，而且

36、不容易檢測。最近的許多安全研究表明IEEE802.11 的協(xié)議安全機(jī)制WEP 和認(rèn)證也存在不少漏洞。因此，對無線局域網(wǎng)的入侵檢測研究，特別是廣泛使用的IEEE802.11 無線局域網(wǎng)的安全性研究，發(fā)現(xiàn)其可能存在的安全缺陷，研究相應(yīng)的改進(jìn)措施，提出新的改進(jìn)方案，對無線局域網(wǎng)技術(shù)的使用、研究和發(fā)展都有著深遠(yuǎn)的影響。</p><p>　　1.1.3 無線網(wǎng)絡(luò)常用的安全技術(shù)</p><p>　　通

37、常有效的無線局域網(wǎng)安全技術(shù)包括有: 物理地址過濾、服務(wù)區(qū)標(biāo)識符匹配、有線等效保密等。</p><p>　　物理地址過濾：每個無線工作站網(wǎng)卡都由唯一的物理地址標(biāo)識，該物理地址編碼方式類似于以太網(wǎng)物理地址，是48 位。可在無線訪問點AP 中手工維護(hù)一組允許訪問的MAC 地址列表，實現(xiàn)物理地址過濾。服務(wù)區(qū)標(biāo)識符(Service Set Identifier ，SSID)匹配，無線工作站必需出示正確的SSID，與無線訪問

38、點AP 的SSID 相同，才能訪問AP;如果出示的SSID 與AP 的SSID不同，那么AP 將拒絕他通過本服務(wù)區(qū)上網(wǎng)。因此可以認(rèn)為SSID 是一個簡單的口令，從而提供口令認(rèn)證機(jī)制，實現(xiàn)一定的安全。如果能很好的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)名或SSID，并且能將它們安全地分配給AP，這種機(jī)制就能為網(wǎng)絡(luò)提供健全的安全性。遺憾的是，接入點AP 必須周期性地在信標(biāo)幀中廣播SSID，入侵者利用捕獲幀的嗅探程序不費吹灰之力就可以獲取和破解SSID。如果網(wǎng)卡出廠時所帶的

39、系統(tǒng)默認(rèn)SSID，沒有更改過，入侵者很容易就猜到SSID。如果默認(rèn)的SSID 被改了，入侵者也可能會用主動掃描或被動掃描法來找到SSID。作為一種預(yù)防措施，明智的做法是經(jīng)常更換SSID。此外，AP 不能用明文廣播SSID，而應(yīng)該用密鑰很大的優(yōu)秀加密機(jī)</p><p>　　有線等效保密協(xié)議(WiredEquivalentPrivacy ，WEP)是由802.11 標(biāo)準(zhǔn)定義的，用于在無線局域網(wǎng)中保護(hù)鏈路層數(shù)據(jù)。WEP

40、 規(guī)定WLAN 設(shè)備之間的認(rèn)證方式有兩種：開放系統(tǒng)認(rèn)證和基于WEP 的共享密鑰的認(rèn)證。開放系統(tǒng)認(rèn)證是WEP 的默認(rèn)認(rèn)證方式，在這種方式下，任何WLAN 設(shè)備都可以被認(rèn)證為合法設(shè)備，所以開放式認(rèn)證基本上沒有安全保證。共享密鑰認(rèn)證是一種較安全的方式，共享密鑰通過安全信道方式分發(fā)給各個WLAN 設(shè)備和AP，在認(rèn)證時利用雙方預(yù)先共享的密鑰對隨機(jī)生成的質(zhì)詢和應(yīng)答信息進(jìn)行加密和完整性計算，整個認(rèn)證過程需要STA 和AP 雙方的四次交互。WEP 使用

41、40 位密鑰，采用RSA 開發(fā)的RC4 對稱加密算法，在鏈路層加密數(shù)據(jù)。WEP 加密采用靜態(tài)的保密密鑰，各WLAN 終端使用相同的密鑰訪問無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)加密機(jī)制功能啟用，客戶端要嘗試連接上AP 時，AP 會發(fā)出一個Challenge Packet 給客戶端，客戶端再利用共享密鑰將此值加密后送回存取點以進(jìn)行認(rèn)證比對，如果正確無誤，才能獲準(zhǔn)存取網(wǎng)絡(luò)的資源。40 位WEP 具有很好的互操作性，所有通過無線保真(Wirel</p>

42、<p>　　目前已廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程接入等領(lǐng)域的虛擬專用網(wǎng)(Virtual Private Networking，VPN)安全技術(shù)也可用于無線局域網(wǎng)。與IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)所采用的安全技術(shù)不同，VPN 主要采用DES、DES 等技術(shù)來保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。對于安全性要求更高的用戶，將現(xiàn)有的VPN 安全技術(shù)與IEEE802.11b 安全技術(shù)結(jié)合起來；WPA 是IEEE802.11i 的一個子集，其核心就是IEEE80

43、2.1x 和TKIP。新一代的加密技術(shù)TKIP 與WEP 一樣基于RC4 加密算法，且對現(xiàn)有的WEP 進(jìn)行了改進(jìn)，在現(xiàn)有的WEP 加密引擎中追加了“密鑰細(xì)分(每發(fā)一個包重新生成一個新的密鑰)”，“消息完整性檢查(MIC)”，“具有序列功能的初始向量”和“密鑰生成和定期更新功能”等4 種算法，極大地提高了加密安全強(qiáng)度。這些是目前較為理想的無線局域網(wǎng)絡(luò)的安全解決方案。</p><p>　　WLAN 由于其靈活方便的特

44、點有著廣泛的應(yīng)用需求。但是由于自身技術(shù)上的固有弱點，造成安全性問題比較突出。Wi-Fi 的加固方案，國標(biāo)的安全方案，目前都不成熟，都還沒有經(jīng)過實踐的考驗，所以對于WLAN 安全性的估計不應(yīng)過于樂觀。為確保信息安全的萬無一失，網(wǎng)絡(luò)在使用WLAN 技術(shù)的時候，必須設(shè)計一個合理的，安全強(qiáng)度足夠高的全面安全解決方案。應(yīng)用的安全技術(shù)包括WLAN 自身的安全算法，還要根據(jù)需要，在TCP/IP 體系的層次結(jié)構(gòu)上實施安全加固措施。具體到國內(nèi)的WLAN

45、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以考慮在國標(biāo)WLAN 技術(shù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用全面的安全加固手段，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的。必須包括雙向認(rèn)證、鏈路數(shù)據(jù)加密、完整性校驗等技術(shù)，要有密鑰的產(chǎn)生、分發(fā)、管理的全面解決方案。這樣基于WLAN 集成一套強(qiáng)度足夠高的全面安全解決方案，在享受無線聯(lián)網(wǎng)便利的同時，用戶的信息安全也就可以得到有效的保障。</p><p>　　1.1.4 研究意義</p><p>　　無線局域網(wǎng)應(yīng)用范

46、圍可以覆蓋工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、家庭、辦公環(huán)境、軍事等各種場合和行業(yè)，其中的安全性就顯得非常重要。對其中無線節(jié)點的定位就具有非常重要的作用。</p><p>　　目前無線局域網(wǎng)仍然存在較多的安全問題有待解決，在這樣安全機(jī)制不夠完善的情況下，不僅需要快速發(fā)展安全技術(shù)，增強(qiáng)無線局域網(wǎng)本身的安全性，同樣也迫切需要發(fā)展相關(guān)的入侵追蹤系統(tǒng)，對無線局域網(wǎng)中的違法活動進(jìn)行入侵檢測，在成功檢測到活動的非法主機(jī)后，能夠獲取有關(guān)目標(biāo)主機(jī)

47、的一系列信息，如MAC 地址，IP 等。但是由于無線網(wǎng)絡(luò)的即興性，無線用戶可以在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域內(nèi)隨意移動，活動主機(jī)和用戶的真實信息不再像有線網(wǎng)絡(luò)一樣固定不變并且詳細(xì)的登記在案。也就是說，雖然通過良好的入侵檢測系統(tǒng)成功找出了入侵的記錄，并且鎖定了入侵主機(jī)的標(biāo)識信息等，但是并不能由此找到進(jìn)行違法活動的不法分子，因為就算能找到相關(guān)設(shè)備的購買記錄等登記信息，其真實性也值得商榷，而且在使用公共設(shè)施進(jìn)行非法活動的情況下，這樣的鎖定也沒有多大的意

48、義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 位置服務(wù)的發(fā)展概況</p><p>　　位置服務(wù)(Location Based Services，LBS)起源于美國聯(lián)邦通信委員會(FCC，F(xiàn)ederal Communications Commission)1996 年6 月頒布的E-911 法令，該法令規(guī)定：全美無線運營商必須為移動

49、用戶提供基于位置的911 服務(wù)，即能夠根據(jù)用戶的呼叫信號確定其當(dāng)前位置并迅速提供緊急救援響應(yīng)。美國聯(lián)邦通信委員會要求在2001年10 月1 日前，所有的呼叫定位服務(wù)精度應(yīng)達(dá)到125m，準(zhǔn)確率不低于67%；2005年12 月31 日之前完成E-911 部署，并提供更高的定位精度及三維位置信息。歐洲也公布了與E-911 類似的定位服務(wù)法規(guī)(E-112)。在實施過程中，人們發(fā)現(xiàn)這種基于移動用戶本身位置的定位服務(wù)可以進(jìn)一步推廣，市場潛力較大。&

50、lt;/p><p>　　隨著技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，LBS 最終成為人們?nèi)粘Ｉ钏蕾嚨囊环N基礎(chǔ)服務(wù)，成為國家空間信息框架、全球空間數(shù)據(jù)框架和數(shù)字地球等系統(tǒng)的基本表現(xiàn)之一。</p><p>　　由于民眾對位置服務(wù)的需求，目前的無線定位技術(shù)也隨之快速發(fā)展，產(chǎn)生了許多不同的定位方法，其中也有許多為廣大民眾所熟悉的定位技術(shù)，例如著名的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，G

51、PS)衛(wèi)星定位，為戶外旅行、災(zāi)難救援、地質(zhì)勘探等活動都提供了相當(dāng)?shù)谋憷c此類似的還有我國自主研制的北斗七星系統(tǒng)。</p><p>　　空間定位是指在一個時空參照系中，確定物理實體的位置。對移動終端的定位過程大致分為兩步：一是測量，二是計算。</p><p>　　1.2.2 按測量和計算實體的不同分類</p><p>　　根據(jù)測量和計算實體的不同來分類，一般將定位方

52、案劃分為三種：基于移動臺的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及混合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1. 基于移動臺的定位系統(tǒng)</p><p>　　此系統(tǒng)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也稱為前向鏈路定位系統(tǒng)。是由移動臺根據(jù)接收到的多個已知位置發(fā)射機(jī)發(fā)射信號攜帶的某種與移動臺位置有關(guān)的特征信息來確定其與各發(fā)射機(jī)之間的幾何位置關(guān)系，再根據(jù)有關(guān)算法對其自身位置進(jìn)行定位估計，由移動臺用戶掌握其自身的位置信息。

53、此方案主要來自于全球定位系統(tǒng)。</p><p>　　2. 基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)</p><p>　　此系統(tǒng)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也稱為反向鏈路定位系統(tǒng)。是由移動臺發(fā)出預(yù)定信號，并由時間同步的幾個基站接收機(jī)同時檢測移動臺發(fā)射的信號，把各接收信號攜帶的某種與移動臺位置有關(guān)的特征信息送到一個信息處理中心進(jìn)行處理，計算出移動臺的估計位置。</p><p>　　在 GSM 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，無

54、需對移動臺進(jìn)行改進(jìn)，并且如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc安全措施，定位網(wǎng)絡(luò)還可提供許多基于地點的服務(wù)。但在CDMA 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，由于移動臺移近某一基站時，發(fā)射功率相應(yīng)降低，影響其它基站的接收。如果使移動臺呼叫發(fā)射大功率的突發(fā)信號，又容易引起不穩(wěn)定。</p><p><b>　　3. 混合定位系統(tǒng)</b></p><p>　　將自定位系統(tǒng)與遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)的不同方面相結(jié)合而構(gòu)成的一個可

55、行的混合定位系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)是將測算位置所需要的定位函數(shù)放置在移動臺中，將混合函數(shù)放置于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，測定計算過程由移動臺和網(wǎng)絡(luò)共同完成。</p><p>　　1.2.3 按定位技術(shù)分類</p><p>　　如果以定位技術(shù)的實現(xiàn)原理進(jìn)行分類，可以將常見的定位技術(shù)劃分為三種類型： 基于三角關(guān)系和運算的定位技術(shù)、基于場景分析的定位技術(shù)和基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)。</p><p&g

56、t;　　1. 基于三角關(guān)系和運算的定位技術(shù)</p><p>　　這種定位技術(shù)根據(jù)測量得出的數(shù)據(jù)，利用幾何三角關(guān)系計算被測物體的位置，它是最主要的、也是應(yīng)用最為廣泛的一種定位技術(shù)?；谌顷P(guān)系的定位技術(shù)可以細(xì)分為兩種：基于距離測量的定位技術(shù)和基于角度測量的定位技術(shù)。</p><p>　　2. 基于場景分析的定位技術(shù)</p><p>　　這種定位技術(shù)對定位的特定環(huán)境進(jìn)行

57、抽象和形式化，用一些具體的、量化的參數(shù)描述定位環(huán)境中的各個位置，并用一個數(shù)據(jù)庫把這些信息集成在一起。觀察者根據(jù)待定位物體所在位置的特征查詢數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)特定的匹配規(guī)則確定物體的位置。</p><p>　　3. 基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)</p><p>　　基于臨近關(guān)系進(jìn)行定位的技術(shù)原理是：根據(jù)待定位物體與一個或多個已知位置的臨近關(guān)系來定位。這種定位技術(shù)通常需要標(biāo)識系統(tǒng)(Identificat

58、ion Systems)的輔助，以唯一的標(biāo)識來確定已知的各個位置。</p><p>　　1.3 論文研究內(nèi)容</p><p>　　論文針對無線局域網(wǎng)中的眾多安全問題，提出了跟蹤入侵和非法操作的物理定位技術(shù)，針對各種非法活動進(jìn)行跟蹤定位。本文主要對無線局域網(wǎng)中的物理位置服務(wù)進(jìn)行研究。</p><p><b>　　本文內(nèi)容安排如下：</b><

59、/p><p>　　第 1 章是緒論部分，主要介紹本課題的研究背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究意義及論文的內(nèi)容與安排；</p><p>　　第 2 章概述無線網(wǎng)絡(luò)定位的相關(guān)概念與發(fā)展并對無線網(wǎng)絡(luò)的具體技術(shù)進(jìn)行簡單的闡述，介紹無線信道信號強(qiáng)度衰減模型和相關(guān)公式，重點討論基于IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)中關(guān)鍵定位技術(shù)；</p><p>　　第 3 章對無線局域網(wǎng)定位系

60、統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。具體討論基于K 和b 的定位系統(tǒng)，分別對對稱和非對稱兩種基于環(huán)境因子和系數(shù)的定位技術(shù)進(jìn)行討論，討論相對優(yōu)化的定位技術(shù)；</p><p>　　第 4 章在目前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究定位技術(shù)，針對傳統(tǒng)的基于信號強(qiáng)度的定位算法的不足，研究新的基于插值方法的定位系統(tǒng)，根據(jù)探測到的信號強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行定位；</p><p>　　第 5 章結(jié)束語，對本文的工作進(jìn)行總結(jié)并討論可以繼續(xù)深入

61、研究的問題。</p><p>　　第二章 無線定位技術(shù)的理論基礎(chǔ)</p><p>　　無線局域網(wǎng)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了非常大的進(jìn)步，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。本章首先介紹無線局域網(wǎng)定位的相關(guān)概念、無線局域網(wǎng)定位的具體技術(shù)，隨后闡述無線信號場強(qiáng)衰減的相關(guān)公式和關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　2.1 無線定位相關(guān)概念&

62、lt;/p><p>　　移動定位作為隨著無線通信技術(shù)發(fā)展起來的新興領(lǐng)域，涉及了計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、數(shù)學(xué)和移動無線通信技術(shù)等多個學(xué)科的知識，某些有關(guān)移動定位的基本概念比較容易混淆，因此在對無線定位技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說明之前，有必要首先澄清一些基本概念。</p><p>　　2.1.1 物理位置信息和抽象位置信息</p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)，也就是利用無線電波而非線纜來實現(xiàn)與計算

63、機(jī)設(shè)備位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Wireless Network System)是一種靈巧的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它是從有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Wire Network System)自然延伸出來的一種新技術(shù)，使用無線射頻RF 技術(shù)越空收發(fā)數(shù)據(jù)，減少使用電線連接，因此無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)既可達(dá)到建設(shè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的目的，又可讓設(shè)備自由安排和搬動。在很多環(huán)境，例如校園或者企業(yè)內(nèi)，無線網(wǎng)絡(luò)一般會作為己存在的有線網(wǎng)絡(luò)的最終連接的一個補(bǔ)充方式，幫助計算

64、機(jī)客戶端通過無線手段訪問遠(yuǎn)在大樓以外或者校園內(nèi)某處的豐富資源。</p><p>　　無線局域網(wǎng)是無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一種重要的分支。無線局域網(wǎng)的初步應(yīng)用，可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時美國陸軍就采用了無線電信號做資料的傳輸，他們研發(fā)出了一套無線電傳輸技術(shù)，并且采用強(qiáng)度非常高的加密技術(shù)。二戰(zhàn)時期，美軍和盟軍都廣泛使用了這項技術(shù)，并讓學(xué)者從中得到了靈感。1971 年，夏威夷大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了第一個基于封包式技術(shù)的無線

65、電通訊網(wǎng)絡(luò)，被稱為AlohNet 網(wǎng)絡(luò)，這是最早的無線局域網(wǎng)絡(luò)。1979 年，瑞士IBM Rueschlikon實驗室的Gfeller，首先提出了無線局域網(wǎng)的概念。1980 年，加利福尼亞惠普實驗室的Ferrert，從事了真正意義上的無線局域網(wǎng)項目的研究。在這個項目中，傳輸媒體為900Hz 頻率的無線電波，用聲表面波器件(SAW Devices)實現(xiàn)了直接序列擴(kuò)頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum

66、)，傳輸速率可達(dá)100kb/s，MAC 層的接入方式為載波偵聽多址接入CSMA，這是現(xiàn)有的IEEE 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)中的MAC 協(xié)議的基礎(chǔ)。</p><p>　　1985 年[美國]聯(lián)邦通信委員會FCC頒布的電波法規(guī)為無線局域網(wǎng)的發(fā)展掃清了道路。它為無線局域網(wǎng)系統(tǒng)分配了兩種頻率：一種是專用頻段，這個頻段避開了比較擁擠的用于蜂窩的電話和個人通信服務(wù)的1~2GHz 頻率，采用更高的頻率；另一種是免許可的頻率，主

67、要是ISM 頻段，它在無線局域網(wǎng)的發(fā)展歷史上發(fā)揮了重要的作用。1990 年7 月，美國電氣和電子工程師學(xué)會IEEE 802 委員會在接收了NCR 公司的“CSMA/CD 無線媒體標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充”的提案，成立了獨立的IEEE 802.11 任務(wù)組，負(fù)責(zé)制定無線局域網(wǎng)物理層及媒體訪問控制MAC 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。1997 年6 月，IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)制定完成，并于1997 年11 月26 日發(fā)布。</p><p>　　I

68、EEE 802.11 任務(wù)組的研究進(jìn)展比計劃的要慢，而在1992 年，由蘋果公司領(lǐng)導(dǎo)成立了工業(yè)聯(lián)盟WINForum 組織，并最終從FCC 處獲得了用于個人通信系統(tǒng)的1.890~ 1.930GHz 頻段的20MHz帶寬，進(jìn)行語音的同步傳輸和數(shù)據(jù)的異步傳輸。同時歐洲也成立了關(guān)于高速無線局域網(wǎng)HiperLAN 的標(biāo)準(zhǔn)化組織，它獲得了5.15~5.35GHz 和17.1~17.3GHz 兩個200MHz頻段。1997 年完成了HiperLAN

69、1 標(biāo)準(zhǔn)的制定這促使FCC 發(fā)放了包括了5.15~5.35GHz 和5.725~5.825GHz 的U-NII 頻段。</p><p>　　由于 IEEE 802.11 速率最高只能達(dá)到2Mb/s，在傳輸速率上不能滿足人們的需要，因此在不斷研究后于1999 年分別提出了IEEE 802.11b 和IEEE 802.11a 標(biāo)準(zhǔn)，前者利用運行在2.4GHz 頻段上的DSSS 變體技術(shù)，提供了11Mb/s 的傳輸速率

70、，現(xiàn)在，符合IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品較為普及，成為無線局域網(wǎng)的主流；而后者是基于正交頻分多路復(fù)用OFDM 技術(shù)，IEEE 802.11a 工作在5GHz 頻段上提供6~54Mb/s的傳輸速率。2002 年通過了IEEE 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)，它允許的最大傳輸速率為54Mb/s，但仍工作在2.4GHz 頻段，與IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)兼容。同時，HiperLAN-2 標(biāo)準(zhǔn)也已制定完成，與IEEE 802.11 類似，工作

71、頻率為5GHz頻段，最大傳輸速率為54Mb/s。</p><p>　　在2004 年6 月，IEEE 802.11 工作組頒布了新一代無線局域網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)——IEEE802.11i，這一標(biāo)準(zhǔn)支持額外的安全與身份認(rèn)證，用以增強(qiáng)無線局域網(wǎng)的安全[26]?，F(xiàn)在，IEEE 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期的目標(biāo)是使數(shù)據(jù)傳輸速率突破100Mb/s。</p><p>　　2.1.2 相對位置和

72、絕對位置</p><p>　　定位系統(tǒng)提供的位置數(shù)據(jù)還有相對和絕對之分。在這里，相對和絕對的概念與物理學(xué)中的相對和絕對的概念類似。絕對位置是指在同一個參照系前提下的位置，例如，所有的GPS 接收設(shè)備所提供的經(jīng)度、緯度、海拔等數(shù)據(jù)都是基于同一個參照系的，在同一地理位置的兩個GPS 接收設(shè)備顯示的位置信息是相同的。</p><p>　　相對位置是在不同的參照系中得出的，每一個物體都可能有自己的

73、參照物。處于相同地理位置的物體因為對應(yīng)的參照物不同，位置數(shù)據(jù)的讀數(shù)也可能不同。</p><p>　　2.1.3 定位精度和定位準(zhǔn)確度</p><p>　　定位精度和定位準(zhǔn)確度是兩個緊密聯(lián)系的概念，它們之間的關(guān)系類似于數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中置信區(qū)間和概率之間的關(guān)系。嚴(yán)格說來，如果孤立的指出某個定位系統(tǒng)的定位精度或定位準(zhǔn)確度，都是沒有意義的。典型的正確描述應(yīng)該是A 定位系統(tǒng)可以在95%的概率下達(dá)到10m

74、 的定位精度。其中，95%描述的是定位準(zhǔn)確度。定位精度越高，相應(yīng)的定位準(zhǔn)確度就越低，反之亦然。不同的應(yīng)用程序?qū)Χㄎ痪韧兄约禾厥獾摹⒚鞔_的要求:而忽略或含糊其詞對定位準(zhǔn)確度的要求。例如，老人或兒童監(jiān)護(hù)需要的定位精度為500m 以內(nèi)，而某些室內(nèi)的應(yīng)用則可能需要厘米級的定位精度。FCC 則同時對定位精度和準(zhǔn)確度作出了明確的規(guī)定：FC0C 要求在2001 年10 月1 號以前所有的“911”呼叫定位服務(wù)需要精確到125 米，而且準(zhǔn)確率要

75、達(dá)到67%。</p><p>　　通過增加定位設(shè)備的密度或綜合使用多種不同的定位技術(shù)，可以同時提高定位系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度。一般說來，室內(nèi)應(yīng)用需要的定位精度要比室外應(yīng)用高。</p><p>　　2.2 無線局域網(wǎng)定位具體技術(shù)</p><p>　　2.2.1 基于 GPS 的定位技術(shù)</p><p>　　GPS 是20 世紀(jì)70 年代初美國出于軍

76、事目的而開發(fā)的技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展成為非常成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力。出于軍事目的考慮，美國政府人為降低了民用GPS 的定位精度，稱為選擇可用性(Selective Availability，SA)政策，但此政策已于2000 年5 月取消，這樣GPS 在天空晴朗時，可以獲得5-40m 的精度。</p><p>　　基本定位原理是：位于地面的接收機(jī)檢測 GPS 衛(wèi)星發(fā)送的擴(kuò)頻信號，通過相關(guān)運

77、算獲取到達(dá)時間(Time of Arrival，TOA)信息并由此計算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，再結(jié)合衛(wèi)星廣播的星歷信息計算衛(wèi)星的空間位置，完成定位計算。有3 顆可見衛(wèi)星時若衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差很小即可實現(xiàn)二維定位，4 顆可見衛(wèi)星可實現(xiàn)三維定位，更多的可見衛(wèi)星可提高定位精度。世界范圍的無線導(dǎo)航系統(tǒng) GPS 的工作衛(wèi)星共有24(21+3)顆，每顆衛(wèi)星連續(xù)發(fā)射數(shù)字偽隨機(jī)碼信號，均勻分布在傾角為55 度的6 個軌道上，各軌道升交點(與赤道交點)之間

78、的角距為60 度角，每個軌道分布4 顆衛(wèi)星，相鄰軌道之間的衛(wèi)星還要彼此叉開40 度角，以保證全球均勻覆蓋的要求。GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確的三維位置、三維速度和精確的時間信息。</p><p>　　GPS 定位的一個弱點是定位時間較長。對于多通道接收器，如果在最后一次定位位置的附近，冷啟動時的定位時間一般為3-5min，熱啟動時為2-5min。雖然在移動臺內(nèi)置多通道高性能接收機(jī)可縮短定位時間，但直接在移動終

79、端或手機(jī)上安裝GPS 接收機(jī)芯片不太適宜，因為縮小GPS 天線安裝到移動終端或手機(jī)中是困難的，勢必使其體積加大，不利于攜帶、GPS 的信號較弱，抗遮蔽性不好、GPS 接收機(jī)為了接收到適當(dāng)?shù)男盘枺β氏妮^大。耗電量增加，使待機(jī)時間大大縮短。現(xiàn)在比較實用的 GPS 定位是網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS(A-GPS)定位，如圖2.1 所示。在定位時，網(wǎng)絡(luò)通過跟蹤GPS 衛(wèi)星信號，解調(diào)出GPS 導(dǎo)航信號，并將這些信息傳送給移動臺，移動臺利用這些信息可以快速

80、地搜索到有效的GPS 衛(wèi)星，從而縮短定位時間。接收到衛(wèi)星信號后，計算移動臺位置的工作可以由網(wǎng)絡(luò)實體或移動臺完成。</p><p>　　A-GPS 定位的原理如圖2.1 所示，移動臺輔助GPS 定位是將傳統(tǒng)GPS 接收機(jī)的大部分功能轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)處理器上實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)向移動臺發(fā)送短的輔助信息以幫助移動臺縮短捕獲時間，移動臺負(fù)責(zé)接受GPS 信號測量偽距并傳誦給網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)再根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計算以產(chǎn)生移動臺的位置。</p&

81、gt;<p>　　自主GPS 定位的移動臺內(nèi)置全功能的GPS 接收機(jī)，移動臺計算出自己位置后返回給網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)為移動臺提供輔助信息幫助衛(wèi)星信號的捕獲，提供衛(wèi)星位置估計值，加快定位過程。</p><p>　　基于 GPS 的定位技術(shù)，其優(yōu)點是定位精度高，單點定位可達(dá)3-50m 的定位精度，若在較大的范圍內(nèi)(一般以20-50km 為半徑)放置GPS 參考站并服務(wù)于這個區(qū)域，提供差分GPS 數(shù)據(jù)，則可進(jìn)一步

82、提高定位精度到10m 以內(nèi)。因此GPS 可提供定位精度較高的業(yè)務(wù)，如利用電子地圖準(zhǔn)確顯示用戶位置等。其缺點是需要改動網(wǎng)絡(luò)和移動臺，在網(wǎng)絡(luò)中需建立GPS 參考站提供輔助信息，在移動臺則需加裝GPS天線和集成GPS 芯片并升級軟件，由此增加了移動臺功耗和和體積，成本也較昂貴。另外定位精度受終端所處環(huán)境的影響較大，如用戶在室內(nèi)或在高大建筑物之間時，由于可見的GPS 衛(wèi)星數(shù)量較少，定位精度降低，甚至無法完成定位。</p><

83、p>　　2.2.2 起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)</p><p>　　起源蜂窩小區(qū)(cell of origin，COO)定位技術(shù)是最簡單的一種定位方式，它根據(jù)移動臺所處的小區(qū)ID 號來確定用戶的位置。移動臺在當(dāng)前小區(qū)注冊后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會有相對應(yīng)的小區(qū)ID 號。當(dāng)移動臺處于移動網(wǎng)絡(luò)中時，利用移動系統(tǒng)HLR 或VLR 中關(guān)于移動臺所屬小區(qū)的小區(qū)識別號(CELL ID)，可得知移動臺位于該小區(qū)的服務(wù)范圍內(nèi)。只要

84、系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設(shè)置的中心位置(在當(dāng)?shù)氐貓D中的位置)和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內(nèi)的所有移動臺，這些移動臺就能知道它處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫即可獲取移動臺的位置。美國E-911 無線定位呼叫的第一階段采用的就是COO 定位技術(shù)。</p><p>　　Cell ID 定位是最簡單的定位方法，不需改動網(wǎng)絡(luò)和移動臺，易于實現(xiàn)，有很好的覆蓋性和可靠性，且響應(yīng)速度快，整個定位過程只需1S 左右。缺點是定位精度不高且依

85、賴于基站覆蓋區(qū)域的大小，在基站分布較少的地區(qū)如郊區(qū)和農(nóng)村很難獲得理想的定位精度。</p><p>　　在 GSM 系統(tǒng)中，為使移動臺發(fā)出的信號在適當(dāng)?shù)臅r間達(dá)到基站以進(jìn)入正確的時隙，基站測量一個時間提前量(TA，Time Advance)，其值與基站和移動臺之間的距離成比例關(guān)系，用于告知移動臺提前多長時間發(fā)送信號。WCDMA 系統(tǒng)中也存在類似機(jī)制，其RTT 值是信號傳播距離的函數(shù)。因此TA 或RTT 也可用于估計移

86、動臺的位置，移動臺位于以基站為中心的一個圓(全向天線)或弧段(定向天線)上。GSM中TA 是以比特時間為單位描述的，一個比特的時間內(nèi)信號的傳輸距離為1108m，所以定位精度的下限為554m；WCDMA中，對于1.28Mc/s 和3.84Mc/s 的碼片速率，定位精度下限分別為58.6m 和19.5m。</p><p>　　與 COO 相類似的定位技術(shù)還有利用SNMP trap 的定位技術(shù)，不同于COO 技術(shù)是在需

87、要獲取位置信息時才即時查詢。利用SNMP trap 的定位技術(shù)是基于AP 在使用者要求建立連接(Association)時，會以SNMP 發(fā)出Association Trap 通知網(wǎng)管工作站，使用者在要求斷線或遠(yuǎn)離AP 通訊范圍時，AP 也會發(fā)送Disassociation Trap。</p><p>　　因此，只需要處理網(wǎng)管工作站所接收的Trap 資料便可得知每一使用者進(jìn)出AP 的信息。使用Trap 來判斷來判

88、斷移動終端的位置是一個非常簡便的方法，因為移動終端一連結(jié)，網(wǎng)管工作站立即收到Trap 信息，一旦移動終端移動至另一AP，另一個新的Trap 會被送出，這樣每接收到一個Trap 信息便自動重新進(jìn)行一次定位動作，不斷更新工作站的終端位置信息。由于定位的動作都是由 Trap 事件出發(fā)，網(wǎng)管工作站并不需要周期性至所有AP 搜集移動終端信息，不會浪費任何帶寬，系統(tǒng)延展性佳。只需要在每次收到Trap 時在定位資料庫中記載AP、MAC 地址、IP 地

89、址之間的對應(yīng)關(guān)系，使用者便可直接由其移動終端的IP 地址來查詢位置信息。</p><p>　　2.2.3 到達(dá)時間定位法</p><p>　　到達(dá)時間定位法(Time of Arrival，TOA)是目前采用比較廣泛的，精度較好的一種定位方法，所采用的基本原理是在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。</p><p>　　TOA 中，若電波從

90、移動臺到AP 的傳播時間為ti ，電波傳播速度為c ，AP 位</p><p>　　置坐標(biāo)為xi，yi，則移動臺位于以xi，yi 為圓心，以c*ti 為半徑的圓上。在多個基站上進(jìn)行上述計算，則移動臺的二維位置坐標(biāo)可由三個圓的交點確定。這樣要求至少有三個AP 參與測量，每個AP 增加一個位置測量單元LMU，LMU 測量終端發(fā)出的接入突發(fā)脈沖或常規(guī)突發(fā)脈沖的到達(dá)時刻。LMU 可以和BTS 結(jié)合在一起，也可分開放置。由

91、于每個BTS 的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出移動終端的位置。TOA 定位的具體過程如圖2.2 所示。</p><p>　　TOA 測量要求MS 的發(fā)射與所有基站的接收精確同步，并且在其發(fā)射信號中要</p><p>　　包含發(fā)射時間標(biāo)記以便接收基站信號到達(dá)時間確定信號所傳播的距離。TOA 提供的定位精度比COO 高，但是它的響應(yīng)時間比COO 更長(約10 秒)。</p&g

92、t;<p>　　目前很多蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)只是強(qiáng)制要求 BS 時鐘嚴(yán)格同步，而MS 則可能有幾ms</p><p>　　的漂移，這種漂移會導(dǎo)致極大的誤差。微小的誤差將會在算法中放大，使定位精度大大降低。傳播中的多徑干擾、NLOS 以及噪聲等干擾造成的誤差會使圓無法交匯，或者交匯處不是一點而是一個區(qū)域。</p><p>　　2.2.4 到達(dá)時間差定位</p><p

93、>　　到達(dá)時間差定位法(Time Difference of Arrival，TDOA)根據(jù)TOA 值的差來確定移動臺的位置。由移動臺與2 個不同基站之間的TOA 差值可以建立以2 個基站位置為焦點的雙曲線方程，若有3 個不同的基站，則可建立兩個雙曲線方程，求解雙曲線的交點即可得知移動臺的位置如圖所示。TDOA 定位法不需要像TOA 那樣使基站和移動臺之間保持同步，降低了同步要求，還可以消除或減少在所有接收機(jī)處由于信道產(chǎn)生的共同誤

94、差，因此可獲得比TOA 更高的定位精度[39]，現(xiàn)在基于時間的定位系統(tǒng)也多采用TDOA 定位方法。TDOA 定位的具體過程如圖2.3 所示。</p><p>　　2.2.5 到達(dá)角度定位法</p><p>　　到達(dá)角度定位法(Angel of Arrival，AOA)采用的是在基站通過陣列天線測出電波的入射角，構(gòu)成從基站到移動臺的徑向連線，兩根連線的交點即為待定位移動臺的位置。這種方法不會

95、產(chǎn)生二義性，因為兩條直線只能相交于一點。它需要在每個小區(qū)基站上放置4-12 組的天線陣列，這些天線陣列一起工作，從而確定移動設(shè)備發(fā)送信號相對于基站的角度。當(dāng)有多個基站都發(fā)現(xiàn)了該信號源的角度時，那么它們分別從基站沿著改角度引出射線，這些射線的交點就是移動臺的位置[40]。AOA 定位的具體過程如圖2.4 所示。</p><p>　　AOA 會受到由多徑和其他環(huán)境因素所引起的無線信號波陣面扭曲的影響。當(dāng)移動臺在小區(qū)切

96、換時，系統(tǒng)需要跟蹤語音信道的切換。如果天線陣列的位置使得它無法解讀帶內(nèi)語音信道的信號時，該技術(shù)的性能會受到很大的影響，AOA 的缺點是現(xiàn)有基站的天線不能實現(xiàn)AOA 估計，且當(dāng)移動臺距離基站較遠(yuǎn)時基站定位角度的微小偏差會導(dǎo)致定位距離的較大誤差。</p><p>　　AOA 所需要BS 的數(shù)目為2 個，相對于TOA 和TDOA 所需要的3 個BS 要少。</p><p>　　而且同基于到達(dá)時間

97、的算法TOA 和TDOA 相比，AOA 算法可以工作于語音信道，并且不需要高精度的系統(tǒng)定時裝置，但是額外增加用于測量角度的天線陣列價格昂貴，需要對各個BS 進(jìn)行復(fù)雜的升級，代價較高而且容易出現(xiàn)定位盲點。而且AOA定位受多徑傳播的影響最大，因此不適合用于高樓林立的城市等電波傳播環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)。而在郊區(qū)或農(nóng)村，一般基站安裝位置很高以提供較廣的覆蓋，移動臺受到的多徑干擾較小，得到的AOA 測量不會有很大的誤差，可達(dá)到100m-200m 的測量

98、精度。</p><p>　　2.2.6 基于無線信號場強(qiáng)衰減的定位方法</p><p>　　在 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)中，無線網(wǎng)卡或AP 的電路能夠測量RF 值，這個值即為接收信號強(qiáng)度指示(RSSI，Received Signal Strength Indicator)。定義RSSI 的初衷是給適配器的微代碼和驅(qū)動程序內(nèi)部使用。當(dāng)無線網(wǎng)卡需要傳送一個包時，必須首先確定無線信道是否空閑

99、，如果此時RSSI 低于信道空閑閾值，網(wǎng)卡芯片就認(rèn)為該信道沒有被其他用戶占用。當(dāng)無線用戶漫游時，測量RSSI 值可以用來判斷是否需要執(zhí)行切換。</p><p>　　研究表明，無線信號傳播存在以下規(guī)律：接收方測得的信號強(qiáng)度越強(qiáng)，發(fā)送方距離接收方往往越近，接收到的信號強(qiáng)度越弱，發(fā)送方距離往往越遠(yuǎn)。因此，通過測量接收到的信號強(qiáng)度建立信道衰減模型，便可以由此可以推算出移動臺到基站的距離。利用這樣計算出的距離，一次場強(qiáng)測量

100、可以把移動臺(即定位目標(biāo))約束在圍繞基站的軌跡圓上，圓的半徑由場強(qiáng)值確定。由于通常兩個圓交點為兩個，因此至少需要通過三個基站來確定目標(biāo)位置?；谛盘枅鰪?qiáng)衰減的定位方法基本上很接近于TOA 和TDOA 定位方法，都是基于距離測量的定位方法，特別類似于TOA 方法，通過計算得到移動臺與基站間的距離，然后利用三個基站的距離數(shù)據(jù)對各基站作圓，以圓的交點來確定定位目標(biāo)的位置，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的定位，只不過獲取距離數(shù)據(jù)的方法不同。</p>

101、<p>　　2.2.7 基于信號強(qiáng)度指紋的定位技術(shù)</p><p>　　如同基于無線信號場強(qiáng)衰減的定位方法，基于信號強(qiáng)度指紋的定位方法也利用了無線網(wǎng)卡和AP 自帶的對信號強(qiáng)度指示進(jìn)行測量的功能。只不過指紋定位技術(shù)并不是利用測得的信號強(qiáng)度直接計算與定位目標(biāo)的距離，而是通過與采樣數(shù)據(jù)比較進(jìn)行分析及獲得位置信息。</p><p>　　指紋定位也稱數(shù)據(jù)庫相關(guān)定位，是近來提出的另外一種

102、定位技術(shù)，它為不同 AP發(fā)出的信號特征參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫，通過將實際接收信號與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比來實現(xiàn)移動臺定位。</p><p>　　多徑傳播是造成定位誤差的主要原因之一，特別嚴(yán)重的影響到前面所介紹的</p><p>　　AOA 定位技術(shù)及場強(qiáng)衰減定位技術(shù)，本來如何采取適當(dāng)措施降低多徑傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵因素?；诮邮招盘栔讣y的定位技術(shù)卻恰恰利用多徑傳播來構(gòu)建位置信息，因為多徑對地形和

103、傳播時的障礙物具有依賴性，因而呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的站點特殊性。對于每一個位置來說，該信道的多徑結(jié)構(gòu)是唯一的，如果同樣的射頻信號從該位置發(fā)射，這樣的多徑特征可以被認(rèn)為是改位置的指紋或者特征簽名。</p><p>　　指紋定位的實施一般分為兩個階段：第一個階段為離線階段，或者稱為數(shù)據(jù)采集階段，主要工作是采集所需定位區(qū)域各位置的信號特征參數(shù)，這些參數(shù)包括信號強(qiáng)度，多徑相角分量功率、多徑延遲分量功率等，形成位置指紋數(shù)據(jù)庫，每一

104、個指紋信息對應(yīng)一個特定的位置；第二個階段為實時階段及完成定位階段，通過接收機(jī)測定接收信號參數(shù)，采用相應(yīng)的匹配算法來確定與數(shù)據(jù)庫的哪一條數(shù)據(jù)相匹配，從而得以確定用戶的實際位置。判斷的過程如圖2.5 所示。</p><p>　　指紋定位技術(shù)的優(yōu)點是所需定位基站少，一個基站即可實現(xiàn)定位，定位精度高，</p><p>　　且不需改動移動臺；缺點是前期工作量大，且不適于環(huán)境變化較快的區(qū)域。由于定位精