基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位研究開題報告

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　課題名稱：基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位研究</p><p><b>　　1技術(shù)背景</b></p><p>　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)、移動通信和普及計算技術(shù)應(yīng)用的不斷擴大和深入，位置感知計算(Location-aware Computing)、基于位置的服務(wù)(LBS，Location-

2、based Services)越來越重要，典型的例子有資源查找、旅游導(dǎo)航、礦井下定位、社交定位，尋人尋物等。如何確定用戶的位置是實現(xiàn)LBS的核心問題。目前，影響最大、定位覆蓋范圍最廣的定位系統(tǒng)是GPS全球定位系統(tǒng)。GPS是70年代初美國出于軍事目的開發(fā)的一種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并于80年代初投入使用。地面接收設(shè)備通過接收和測量來自四個或四個以上衛(wèi)星信號的到達時間差來估計移動終端的位置。在移動終端內(nèi)置GPS模塊可在室外大部分場合下實現(xiàn)精度較

3、高的定位，特別是從2000年5月1日0時美國宣布中止選擇性可靠度(Selective Availability)政策以后，GPS也能被用于民用，精度可達到15m以內(nèi)。相較于GPS，我國也在2003年投入了大量資金開始建造北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。</p><p>　　在實際環(huán)境里，GPS定位系統(tǒng)的覆蓋范圍仍然存在一定的局限性。由于GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電訊號太微弱，以至于無法穿透絕大部分的建筑物或是稠密的植被，因此導(dǎo)致所謂

4、的“都市峽谷”(Urban Canyon)效應(yīng)。在高樓林立的都市，樓宇等建筑物阻隔了衛(wèi)星信號的傳播或者將它們分散開去，造成GPS系統(tǒng)無法定位。GPS雖然在室外能有效地定位，但幾乎不能覆蓋到人們經(jīng)常工作和活動的室內(nèi)。因此，GPS除了在交通工具的導(dǎo)航上的應(yīng)用占有優(yōu)勢以外，尚很少被應(yīng)用在其他領(lǐng)域。另外，一般環(huán)境里，用戶更青睞輕便的移動設(shè)備。如果將GPS作為普通的定位工具，用戶需要在其攜帶的設(shè)備上加裝GPS接收模塊，會增加移動設(shè)備的體積、成本以

5、及對有限電量的消耗。</p><p>　　從20世紀(jì)90年代末期起，許多高校和研究機構(gòu)開始了室內(nèi)定位技術(shù)的研究，具有代表性的有AT&T Cambridge主持的Active Badges項目，之后進一步改進為Active Bats，cricket，微軟的Easy Living項目以及Georgia Tech公司的Smart Floor項目等。上述項目雖然取得了一定的效果，有的還可以達到毫米級的精度，但這些

6、定位系統(tǒng)需要添加新的硬件，系統(tǒng)部署復(fù)雜，維護成本高，可擴展性差。 </p><p>　　2選題依據(jù)與研究意義</p><p>　　從以上研究背景可以看出，目前的定位技術(shù)還不能完全滿足普適計算應(yīng)用的要求，特別是在室內(nèi)的環(huán)境里。隨著無線局域網(wǎng)的廣泛部署和普及應(yīng)用，利用無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，簡稱WLAN)的室內(nèi)定位技術(shù)逐漸發(fā)展起來。無線局域網(wǎng)絡(luò)

7、技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種高速無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組為IEEE 802．1l，目前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802．1lb和IEEE 802．1lg。WLAN網(wǎng)絡(luò)具有高速通信、部署方便的特點，切合了現(xiàn)代社會對移動辦公、移動生活娛樂的需求。室內(nèi)環(huán)境和人們活動的熱點地區(qū)(如機場、寫字樓、大型超市、校園、酒店和家庭)是WLAN主要的應(yīng)用環(huán)境。基于無線局域網(wǎng)的定位就是在無線局域網(wǎng)中通過對接收到的無線電信號的特征信息進行分析，根據(jù)特定

8、的算法來計算出被測物體所在的位置。</p><p>　　目前，無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)中的一個組成部分。許多移動設(shè)備，像筆記本、PDA、智能手機，已經(jīng)內(nèi)置了對無線局域網(wǎng)的支持。因此，它可以有效地避免了部署專用的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，不需要添加其他的硬件設(shè)備或電子標(biāo)簽，從而降低了成本。其次，與采用紅外線、視頻信號的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，基于無線局域網(wǎng)的定位系統(tǒng)能夠使用的范圍更大。無線信號通?？梢愿采w整個大樓甚至是

9、一個樓群，因此既能被應(yīng)用在室內(nèi)又能被應(yīng)用在室外。第三，在使用無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信功能的同時，用戶還可以獲得定位服務(wù)以及基于位置的服務(wù)，反過來也充分開發(fā)了無線局域網(wǎng)的應(yīng)用潛能。最后，由于無線射頻信號的健壯傳輸，基于無線局域網(wǎng)的定位系統(tǒng)是一種比較穩(wěn)定的系統(tǒng)。那些基于視頻或者基于紅外線的定位系統(tǒng)更容易受到限制，比如，基于視頻的技術(shù)</p><p>　　對用戶的定位需要在可視的條件下：當(dāng)有熒光照射或陽光直射時，紅外線信號

10、的性能會大大降低?；谏鲜鰞?yōu)勢，無線局域網(wǎng)定位技術(shù)的研究引起了越來越多研究者的興趣。</p><p>　　2006年8月，世界第一大信息技術(shù)研究與咨詢公司Gartner發(fā)布了(2006年新興技術(shù)發(fā)展周期》的報告，該報告對36項重要技術(shù)的成熟度、影響力、市場接受速度以及未來十年的趨勢進行了評估。其中，定位技術(shù)被評為具有特別高影響力的技術(shù)。 Gartner指出借助WLAN以及其他定位技術(shù)對移動用戶提供的基于位置的服務(wù)

11、將會被認同并獲得快速的發(fā)展，在未來五年內(nèi)，位置感知應(yīng)用程序?qū)⒊蔀橹髁鳌？梢姡瑢跓o線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。</p><p><b>　　3研究難點</b></p><p>　　利用信號強度定位的重要前提是用戶收到的信號強度隨著與AP間距離的增大而減小。這一基本規(guī)律在RADAR系統(tǒng)伽的實驗中已經(jīng)得到了驗證，但是這種變化只是近似的線性變

12、化，在室內(nèi)距離近、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的環(huán)境下，障礙物的影響難以忽略。各種噪聲的干擾是室內(nèi)定位的困難之一。干擾因素可以歸納為以下幾個方面：</p><p>　　IEEE 802．1lb／g協(xié)議已成為無線局域網(wǎng)應(yīng)用的主流，它們工作在2．4GHz的公共頻段上，這使得信號在傳播過程中會受到其他使用該頻段的設(shè)備(如手機、微波爐、采用B1uetooth協(xié)議通訊的設(shè)備)的干擾。</p><p>　　人體90％

13、的成分是水，水的共振頻率為2．4GHz，因此人體也是干擾無線信號的因素之一。BahlE9]和Kaema—rungsiEl3]的實驗都說明，同一地點測量的信號強度會隨著用戶站立方向的不同而發(fā)生顯著的變化。當(dāng)用戶面朝AP時，AP的信號到達網(wǎng)卡為視距傳播(LOS，Line of Sight)，信號強度很強；而當(dāng)用戶背朝AP時，用戶的身體遮擋了信號，信號強度下降，兩者之間的差別可達5～10dBm。</p><p>　　由

14、于室內(nèi)建筑布局復(fù)雜，信號傳播中會受到家具、門窗、墻壁、天花板的阻擋，引起無線電信號的反射、折射、衍射現(xiàn)象，發(fā)射信號往往經(jīng)過多條不同路徑，以不同的時間到達用戶，造成傳播信號在時延擴展、信號幅度、頻率和相位的改變，從而導(dǎo)致多徑傳播(Multipath)效應(yīng)。多徑傳播是基于到達角度、信號強度、到達時間或時間差測量系統(tǒng)定位誤差的主要來源。</p><p>　　在無線局域網(wǎng)中，基于接收信號強度定位的另外一個難點是如何使定位

15、方法具有良好的環(huán)境可適應(yīng)性。所謂可適應(yīng)性是指當(dāng)定位系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境發(fā)生改變后，定位算法也能利用某種機制探測出來并自動地進行修正，以保證算法的正確性。環(huán)境中可能的變化有：</p><p>　?、貯P數(shù)量的變化。比如有的AP發(fā)生故障，部署新的AP。</p><p>　?、谑覂?nèi)布局的變化。如房間進行了新的裝修，布置了家具，或者原有家具進行大范圍的調(diào)整?？梢钥闯觯鲜鰞蓚€定位難點將直接影響定位算法的

16、準(zhǔn)確性和定位系統(tǒng)能否進入實際應(yīng)用。</p><p><b>　　4主要研究方法</b></p><p>　　近似法、三角測量法和場景分析法是3種基本的位置感知技術(shù)。近似法即當(dāng)物體靠近某一已知位置對，由該位置來定位物體。三角測量法采用三角形的幾何特性計算物體的位置。場景分析法則利用從某一優(yōu)勢位置觀察到的場景中的特征信息，來估計觀測者的位置或者場景中某一物體的位置。在基于

17、信號強度的室內(nèi)定位方法中，相應(yīng)的分別是最強基站法、傳播模型法和位置指紋法。</p><p>　　在無線局域網(wǎng)中，最簡單的定位方法是將無線終端用于數(shù)據(jù)通信的訪問點(AP)的位置，近似地作為估計的位置，稱為最強基站法。它不需要復(fù)雜的算法和任何的參數(shù)估計，也不需要在客戶端添加新的軟件。但是該方法定位的精度局限在AP的信號覆蓋范圍，不能進行精確定位。傳播模型法利用信號在室內(nèi)的傳播衰減變化規(guī)律，將信號強度轉(zhuǎn)換成信號傳播的距

18、離，根據(jù)已知的AP位置和三角測量原理計算出用戶的位置。這類方法簡單，計算效率高，但它的定位準(zhǔn)確性主要依賴于傳播衰減模型是否正確，是否能夠適合定位區(qū)域復(fù)雜的建筑和平面布局環(huán)境。根據(jù)傳播衰減模型的來源又分為物理模型法和實驗?zāi)Ｐ头ǎ匆环N由信號傳播衰減的物理特性得到，另一種由大量實驗數(shù)據(jù)擬合出來。實驗?zāi)Ｐ头ǖ玫降膫鞑ツＰ透m合待定位環(huán)境，但它普遍性不好，使這類定位系統(tǒng)難以推廣。</p><p>　　位置指紋法完全在實驗

19、的基礎(chǔ)上進行，分為離線勘測和在線定位兩個階段。離線勘測是在待定位區(qū)域里按照一定的間隔距離確定若干采樣點，形成一個采樣點的網(wǎng)格，并將每個點測得的信號強度連同其位置信息一同保存到數(shù)據(jù)庫里，這些信息被稱為位置指紋(Location Fingerprints)或射電天圖(Radio Map)。在線定位時，將實時測量的信號強度信息與數(shù)據(jù)庫中的信息比較，取信號強度最接近的點的位置作為估計的位置。換個角度，位置指紋法也可以被看作是讓計算機先學(xué)習(xí)信號強

20、度與位置間的內(nèi)在規(guī)律，然后再推理的過程，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論也被越來越多地應(yīng)用進來。根據(jù)位置指紋在數(shù)據(jù)庫中的保存形式，又可以分為確定性方法和概率分布法。確定性方法保存一定采樣時間內(nèi)接收信號強度的平均值；概率分布法保存的是一定時間內(nèi)信號強度的概率分布，如直方圖。相應(yīng)地，在匹配時確定性方法多采用歐式距離衡量兩個信號強度之間的相似性；概率分布法多使用貝葉斯公式來判斷。確定性方法比概率分布法更簡單，實現(xiàn)更方便；而概率分布法對信號

21、中噪聲的抗干擾性較好，因此準(zhǔn)確度較高。目前位置指紋法研究得較多。</p><p>　　確定性方法是一種比較簡單的位置指紋法，它最早出現(xiàn)在RADAR定位系統(tǒng)中。每個采樣點處的位置指紋保存來自AP的信號強度的平均值。通過采用歐幾里得幾何距離或其他距離(如曼哈頓距離)度量測量值與位置指紋之間的差異，并取差異值最小的位置指紋的位置作為估計的位置。用數(shù)學(xué)公式表示為 </p><p>　　其中n

22、表示AP的個數(shù)，表示實時收到的來自第i個AP的信號強度，表示數(shù)據(jù)庫中的信號強度平均值。RA—DAR稱為最近鄰居法。此外，考慮到相鄰采樣點的相似性，還提出了K個最近鄰居法和加權(quán)K個最近鄰居法，即分別以采樣點處樣本的個數(shù)和樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差為權(quán)值。不同之處表現(xiàn)在根據(jù)接收信號強度的信息，首先確定可能所屬的位置集合，減少計算的次數(shù)。</p><p><b>　　5進度安排</b></p>

23、<p><b>　　第一周至第四周</b></p><p>　　翻譯文獻，查閱資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識并整合大致思路，完成開題報告；掌握基于無線局域網(wǎng)定位的基礎(chǔ)知識，與定位相關(guān)算法</p><p><b>　　第五至第十周</b></p><p>　　確定初步有效的位置指紋定位算法并進行后續(xù)實驗，解決在實際實驗中出現(xiàn)的

24、問題，逐步完善方案。 </p><p><b>　　第十一周至十二周</b></p><p>　　對相關(guān)工作進一步完善，確定并完成最終解決方案，處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論；翻譯相關(guān)外文文獻。</p><p><b>　　第十三周至十六周</b></p><p>　　編寫并完成畢業(yè)設(shè)計論文和翻譯外文資料

25、，準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯。</p><p><b>　　7參考文獻</b></p><p>　　[1] 董梅,楊曾,張健,等.基于信號強度的無線局域網(wǎng)定位技術(shù)[J].計算機應(yīng)用,2004(12).[2] 劉乃安.無限局域網(wǎng)原理技術(shù)與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2004.[3] 王璐,秦汝祥.基于RFID的井下跟蹤人員定位系統(tǒng)研究[J].安全,2004(1).[

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