（通信与信息系统专业论文）基于rssi的wlan定位系统研究与实现.pdf

人连理 大学硕十学位论文 摘要 互联网的快速发展使得无线网络的应用越来越广泛，出现了许多新的基于无线网络 的增值服务，其中无线定位服务就是一项比较有前景的新业务，基于信号强度的无线局 域网定位系统以其不需要添加额外的硬件设备而逐渐成为无线定位技术的研究热点。 基于信号强度的无线局域网定位方法主要有位置指纹法和传播模型法两类。位置指 纹法是利用建立的信号强度分布图进行定位，而传播模型法是根据信号强度在室内的衰 减规律建立的数学模型来进行定位。微软公司提出的r a d a r 系统分别采用了这两种定 位方法，实现了室内定位。 论文介绍的是基于传播模型的无线局域网定位系统，它利用信号强度来进行定位。 论文在充分调研了国内外无线局域网定位方法之后，提出了先利用信号强度进行区域划 分，再计算移动设备位置的定位方法。利用这种定位方法，在实际工程应用中能很好地 减小由信号波动引起的定位误差。 定位系统工作在两个阶段：离线阶段和在线阶段。在离线阶段，先将环境分为多个 小区，并设定每个区对于每个无线接入点( a p ) 的信号强度范围和每个区到每个a p 的 最大最小距离，得出各区的传播模型参数。在在线阶段，系统利用实时采集到的各个a p 的信号强度和各区的信号强度范围判定移动设备所属区，并获取计算坐标时所用的参 数，然后根据决定的参数和所有采集的信号强度，估计出移动设备所在平面内的位置。 论文最后对实现的定位系统在实际环境下进行了测试，由实验结果得出百分之 2 5 m 、5 0 m 和7 5 m 距离误差值分别是1 1 5 米、1 7 5 米和3 0 5 米，满足工程应用要求。 关键词：无线局域网；定位系统；区域划分；信号强度 基- f r s s i 的w l a n 定位系统研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a i o no fw l a nl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nr ss i a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r kb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a ra st h ei n t e r n e ti 8 d e v e l o p i n gr a p i d l y , a n dm a n yk i n d so fv a l u e - a d d e ds e r v i c eb a s e do nw l a na r ea p p e a r i n g w i r e l e s sl o c a t i o ns e r v i c ei sam o r ep r o m i s i n go n ea m o n gt h e s es e r v i c e s w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ( w l a n ) l o c a t i o nb a s e do nr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ( r s s i ) i sb e c o m i n ga h o tr e s e a r c ht o p i co fw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g yg r a d u a l l yb e c a u s ei td o e sn o tr e q u i r ee x t r a h a r d w a r ed e v i c e t h e r ea r et w om a i nc l a s s e so f r s s ib a s e dw i a np o s i t i o n i n gt e c h n i q u e s ：f i n g e r p r i n t i n g t e c h n i q u ea n dr a d i op r o p a g a t i o nm o d e l i n gt e c h n i q u e t h ef o r m e ro n eu t i l i z e st h es i g n a l s t r e n g t hd i s t r i b u t i o nm a pt od e t e r m i n et h eu s e r sp o s i t i o n t h el a t t e ro n em a k e su s eo fs i g n a l p r o p a g a t i o nt h e o r yi ni n d o o re n v i r o n m e n t ，t h e ns e t su pa m a t h e m a t i cm o d e lt oe s t i m a t et h e u s e r sp o s i t i o n t h er a d a r s y s t e m ，p r o p o s e db ym i c r o s o f t ，r e a l i z e st h ef u n c t i o no fi n d o o r p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yb ye m p l o y i n gt h et w ok i n d so ft e c h n i q u e sr e s p e c t i v e l y 1 1 1 i st h e s i si n t r o d u c e st h ew l a nl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nr a d i op r o p a g a t i o nm o d e l i n g t e c h n i q u e ，t h eo n em a k i n gu s eo fs i g n a ls t r e n g t ht ol o c a l i z et h eu s e r sp o s i t i o n t h et h e s i s p r o p o s e sal o c a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hf i r s t l yd e t e r m i n e st h ez o n eu s i n gs i g n a ls t r e n g t h ，a n d t h e nc a l c u l a t e st h em o b i l ed e v i c e s l o c a t i o n o nt h eb a s eo fi n v e s t i g a t i n gw l a nl o c a t i o n t e c h n i q u e sa th o m ea n da b r o a d t h i sk i n do fl o c a t i o nt e c h n i q u ec o u l dd e c r e a s et h ep o s i t i o n i n g e r r o re f f i c i e n t l yc a u s i n gb ys i g n a lf l u c t u a t i o n ，w h e ni ti sa p p l i e dt ot h ea c t u a le n g i n e e r i n g t h el o c a t i o ns y s t e mw o r k si nt w op h a s e s ：t h eo f f i i n ep h a s ea n dt h eo n l i n ep h a s e i nt h e o f f l i n ep h a s e ，t h ee x p e r i m e n te n v i r o n m e n ti sd i v i d e di n t os e v e r a lz o n e s i ne a c hz o n e ，t h e r s s ir a n g eo fe a c ha c c e s sp o i n t ( a p ) a n dt h ed i s t a n c er a n g et oe a c hz o n ea r es e t ，a n dt h e n c o r r e s p o n d i n gp r o p a g a t i o nm o d e lp a r a m e t e r sa r ec o m p u t e d i nt h eo n l i n ep h a s e ，t h ez o n e n u m b e ri sd e t e r m i n a t e db yu s i n gt h er e a lt i m er s s ia n dt h er s s ir a n g e t h e nw ec a l c u l a t e t h em o b i l ed e v i c e sc o o r d i n a t ei ng e o m e t r i cp l a n ec o m b i n gt h er e a lt i m es sa n dt h e p a r a m e t e r sc o r r e s p o n d i n gt h ez o n ea n de a c ha p a tt h ee n do ft h et h e s i s t e s to nt h el o c a t i o ns y s t e mi si m p l e m e n t e di naf i e l ds e t t i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e2 5 m ，5 0 m ，a n d7 5 mp e r c e n t i l ev a l u e so ft h el o c a t i o nd i s t a n c e e r r o ra r e1 15m ，1 7 5ma n d3 0 5m r e s p e c t i v e l ya n di tm e e t st h ee n d n e e r i n gr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：w l a n ；l o c a t i o ns y s t e m ；a r e az o n i n g ；r s s i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 基圣随盗垃厶遮壁羞渔垂磕壹壹弛 作者签名：一燧拯一一一日期：j 吐年j l 月二，l 日 人连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及现实意义 ( 1 ) 选题背景 随着无线通信技术的日趋成熟和快速发展，基于位置的无线定位服务显得越来越重 要。由于用户对信息的及时性和就地性的需求越来越强烈，特别是在军事、医疗等出现 紧急情况时更需要较为准确的位置信息。因此，各种定位服务系统如雨后春笋般快速发 展起来。目前的无线定位服务系统主要有全球定位系统【l 】( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， g p s ) 和蜂窝无线定位【2 】两种。g p s 禾t j 用多卫星信号的方位和距离，实现室外无遮挡环 境下全球位置的定位，最高的定位精度可以达至l j 5 m t 3 1 。但对于室内环境和高楼密布的城 市，g p s 系统因为卫星信号被阻隔，其定位精度明显下降，且如果要给每个用户增j j i g p s 功能，则由于过于昂贵而不切实际。蜂窝无线定位是利用移动通讯基站的定向信号接入 信息，利用多基站对终端的定向信号的识别、蜂窝覆盖的区分、覆盖区域的交叉叠加等 手段，实现对无线终端的定位。但是该种定位技术受限于定向信号较大的覆盖角度，因 此难以达到较高的精度。这两种定位技术都无法满足室内用户的定位需求，于是人们又 开始研究室内无线定位系统，用以弥补定位精度不足的问题。 对于室内环境，无线局域网以其高速通信、设备简单、部署方便的特点，得到广泛 的应用。基于室内的无线局域网络标准是2 0 世纪术正式制定并投入使用。美国的微软研 究院在2 0 0 0 年提出了基于无线局域网的r a d a r 4 】系统定位技术和实验系统。此后，无线 局域网技术得到了飞速发展和无线局域网络在全世界范围内大规模应用部署，这些都促 使世界各国大量的研究人员积极致力于基于无线局域网技术的研究和开发。基于信号强 度( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ，r s s i ) 的无线局域网定位技术，它不需要添加 额外的硬件设备，充分利用了现有的无线网络设备，将定位系统的应用范围扩大到了楼 群和室内，降低了定位成本，因此成为室内定位技术的研究热点。 ( 2 ) 现实意义 无线定位在现代社会中发挥着越来越大的作用，如大地测量、地震预报、车辆的运 输调度、森林防火、航空及航海安全、地质勘探和国土的开发等方面。对于无线局域网 定位，在室内环境同样扮演着比较重要的角色。在比较大的公司或组织里面，可以通过 无线局域网定位实现人员的实时管理。例如在医院，医院需要知道病人、医生和医护人 员的实时位置，特别是在医疗突发情况下，医院更需要知道他们的位置。当有病人需要 立即抢救或做手术的紧急情况，医院可以通过无线局域网定位，找出最近的合适医生和 基tr s s i 的w l a n 定位系统研究与实现 医护人员位置，可以让医生争分夺秒地为病人提供帮助。无线局域网定位同样适用于消 防安全，在被大火吞噬的楼层内，消防人员可以通过无线局域网定位得出的呼救人员的 位置，以最快的速度救出被困人。所以在室内环境，研究具有高精度的无线局域网定位 技术就具备了重要的现实意义。 1 2 无线定位技术研究现状 国际上对无线定位技术的研究与应用开始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位( a v l ) 系统，随后该技术在货物运输、出租车管理和紧急医疗等有限的范围内得到了应用。8 0 年代以后，随着智能交通运输系统( i t s ) 需求产生及峰窝移动通信系统的出现，人们 对无线定位技术也有了新的要求，从而使这个领域的研究变得越来越热。美国联邦通信 委员会( f c c ) 于1 9 6 6 年公布了e 9 1 1 ( e m e r g e n c y c a l l 9 11 ) 紧急定位需求，要求所 有的无线服务提供商，包括蜂窝移动、宽带p c s 和广域s m r 运营商，都能提供用于e 9 1 l 公共安全服务的定位信息，并指定了实现的时间表和定位精度要求【2 】。此后，日本、德 国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出多种各具特色的商用定位服务。 美国从1 9 7 3 年正式决定开始研制各军种共同使用的全球定位系统。g p s 整个发展 计划分为三个阶段实施。第一阶段为原理方案可行性验证阶段。第二阶段为系统的研制 与试验阶段。第一阶段和第二阶段共同发射1 1 颗试验卫星，这些卫星称为第一代卫星。 第三个阶段为最后的工程发展与完成阶段。第三阶段共发射了2 8 颗工作卫星，这些卫 星称为第二代卫星。经过2 0 年，g p s 系统终于建成。此后，美国开始设计和试验新的 第三代工作卫星改良系统，于2 0 世纪末发送完毕2 0 颗工作卫星。 在美国研究g p s 系统的同时，前苏联于也于1 9 7 8 年丌始研制类似于g p s 系统的 g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 系统。苏联于1 9 8 2 年1 0 月发射了第一 颗g l o n a s s 卫星，并于19 9 6 年初2 4 颗工作卫星开始正常发射信号，整个系统正式投 入运行，由此打破由美国g p s 一统天下的局面，形成多系统兼容共用的新格局。 g l o n a s s 虽然研究时间起步晚，但是正常运行时间只比g p s 晚不到3 年。 欧洲也紧随着开始研发自己的卫星定位系统n a v s a t 系统，它是欧洲空间局建立 的一种民用卫星导航系统。该系统采用6 颗地球同步卫星和1 2 颗高椭圆轨道卫星组成 混合卫星星座。我国也在“九血”列项提出双星定位导航系统，其工程取名为“北斗一号”， 该系统为我国自己独立研制开发的第一代卫星导航定位通信系统【1 1 。 2 0 世纪9 0 年代术，随着室内无线定位需求的增加，许多研究人员丌始了室内定位 技术的研究，具有代表性的有a t & tc a m b r i d g e 主持的a c t i v eb a d g e s 项目，之后进一步 一2 一 大连理工人学硕十学位论文 改进为a c t i v eb a t s ，c r i c k e t ，微软的e a s yl i v i n g 项目以及g e o r g i at e c h 公司的s m a r tf l o o r 项目等。国外的研究机构和高校有微软、i b m 、i n t e l 、c m u 、匹兹堡大学、马里兰大学， 坦佩雷大学，加拿大麦克吉尔大学，南洋理工大学等。而国内在这方面的研究起步较晚， 主要有军队的科研机构，中国香港、台湾地区的高校有香港科技大学，台湾新竹大学， 台湾铭传大学，中国大陆的一些高校如上海交通大学【5 】，复旦大学1 6 ，华东师范大学【7 】 等也开始了室内定位的研究。 现有的依据接收信号强度进行无线室内定位方法主要有位置指纹法和传播模型法。 位置指纹法最早出现于微软2 0 0 0 年提出的r a d a r 定位系统中。它使用由移动设备采 集的来自无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的信号强度，并用最近邻居法来估计移动设 备的位置。后来华盛顿大学的j i u n h u n gc h e n 8 】对r a d a r 系统的定位算法进行了更深 入的研究，他提出了在无线网络环境使用鲁棒性的模块匹配和支持向量匹配对使用者进 行定位。由马里兰发明的h o r u s l 】定位系统也是一种利用位置指纹法定位的系统。它 是一种基于概率分布的无线局域网定位系统。这个系统的主要目标是为了识别出无线通 道的噪声并提出处理这些噪声的技术。为了在连续物理空间估计使用者的位置提高定位 精度，文献【l o 】中又提出了两种用于估计使用者位置的技术，名为质心技术和时间平均 技术。2 0 0 4 年i b m 研究院的z x i a n g 等人【1 2 】为了减轻收集样本的工作量，设计了平滑 过滤器和加尾过滤器，这样利用少量的样本值就可以构造信号强度长期变化的规律。同 时，他们利用图论技术表示出室内的拓扑结构，结合i j i 一时刻对用户位置的估计，来大 致判断用户下一时刻可能的位置，比如用户不可能穿墙而过，必须沿走廊行走等。近年 来由e k a h a u 1 3 】公司推出的e k a h a u 实时定位跟踪软件引擎，也是利用指纹法实现的定位 系统。该系统在多种行业得到了广泛的应用，其中应用最广的是医疗保健行业，如国外 一些医院的室内环境安装了e k a h a u 定位系统，它的定位精度能达到1 米。2 0 0 4 年华东 师范大学的董梅等人 7 】也对这个方法进行了研究。她提出了基于信号强度的经验与估计 相融合的无线定位方法。我国台湾的铭传大学提出了一个利用位置指纹法的w i f i 室内 自动导览系统，通过实验得出这个系统的定位误差9 5 以上在5 米内。香港科技大学的 杨强教授、英杰、陈益强等对位置指纹法进行了深入的研究。在文献 1 4 中，作者使用 数据挖掘技术和参考点来不断的调整离线阶段建立的位置信号电波图。在文献 1 5 中， 作者提出了一个新奇的算法c a d e t ，利用这个方法就实现了智能的选择用作定位的a p 数目来进行高效的定位。 在r a d a r 系统中，为了减少对经验数据的依赖，又提出了利用室内的传播衰减模 型来计算信号强度分布图。m i c h a e lr o b i n s o n 等人【l6 】又在r a d a r 的基础上提出了概率 形式的室内信号传播衰减模型，这样来计算a p 和移动设备之i 日j 的距离。2 0 0 3 年a n t t i 基于r s s i 的w l a n 定位系统研究与实现 k o t a n e n 等人【1 7 】设计和实验了一个局域网定位原型，它是利用信号传播模型来计算移动 设备与a p 之间的距离，然后利用扩展卡尔曼滤波器来把距离的估计转化为对用户位置 的估计。为了提高定位的精度，它又对路径损耗模型进行了提高和改进。通过实验证明， 定位系统的模型在视距和非视距的情况下平均误差分别是2 3 米和2 9 米。 由上面可知，目前对于位置指纹法的研究是比较广泛的。当然，还有一些新的定位 方法被提出来。d c o t r o n e o 等人【1 8 】提出了分区的概念，定位时利用传感器接收的信号强 度来判断移动设备所在的区域。香港科技大学的d i kl u nl e e 等【1 9 】于2 0 0 7 年提出了 w h a m ! 定位系统。这个系统先将环境分为多个区域，然后利用返回跟踪技术来定出移 动设备最后所处的区域。 由以上可知无线定位技术的研究正变得越来越热，我国也有越来越多的研究机构和 高校加入到无线定位的研究队伍中。 1 3 本文的主要研究内容和本文的组织 本文主要是对基于r s s i 的无线局域网定位系统研究与实现。通过深入研究一些著 名定位系统的定位方法，提出了一种基于区域划分的无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 定位方法，并且在w i n d o w s 环境下实现了整个室内定位系统。定位 系统利用采集的a p 信号强度进行定位，并将最后的定位结果以图形的形式显示在平面 图上。论文主要介绍了整个系统的设计和实现，最后在测试环境下对这个定位系统进行 了大量的实际测试，由测试结果得出其定位精度达到预期的设计，满足工程应用要求。 本文的组织结构如下： 第1 章为绪论，介绍了本论文的选题背景、现实意义，概述了无线定位技术研究现 状，简述了本文的主要研究内容。 第2 章阐述了无线定位的基本原理。首先概述了无线定位技术和无线定位服务系统， 紧接着介绍了基于w l a n 的定位技术，最后列出了国内外w l a n 定位技术研究的最新进展。 第3 章是基于w l a n 定位系统的设计，主要介绍了系统的总体设计、定位平台设计 和系统的软件设计。 第4 章晚明了基于w l a n 定位系统的实现，重点介绍了信号强度的获取、区域的判 定和位置的估计。 第5 章是系统定位测试，分析和比较由系统得出的定位结果。 最后对本文做了总结和展望。首先列出了本文的主要工作及总结结论，然后对未来 的工作提出了建议。 大连理t 入学硕十学位论文 2 无线定位的基本原理 2 1无线定位技术概述 2 1 1 无线定位概念 无线定位是指利用无线电波信号确定移动设备在某一参考坐标系统中的位置。位置 信息包括移动设备的有关坐标，通常是指的在地理坐标系下移动设备所处位置的经度、 纬度和高度信息。 无线定位的主要质量指标是定位的精度。定位精度是指移动设备的估计位置与其真 实位置之间的接近程度。不同的定位服务需求对定位的精度要求不同，如天气预报只要 求达到2 0 0 k m ，避免交通堵塞的车辆管理需要达到1k m ，而飞机导航、移动设备定位 则需要达到5 0 m t 2 2 0 1 。 无线定位可以分为室外无线定位和室内无线定位两类。室外无线定位主要有g p s 全球定位系统，它己在全球范围内广泛使用，此外还有蜂窝无线定位技术。室内无线定 位主要有红外、超声波、蓝牙、射频识别、超宽带、z i g , b e e 和无线局域网路等定位技术。 2 1 2 无线定位方案分类 定位系统是通过检测移动台和多个收发信机之间的传播信号的特征参数，来确定移 动台的几何位置。根据进行定位估计的位置的不同，将对移动台的定位分为三类：基于 移动台的定位、基于网络的定位和移动台辅助定位2 ，2 1 。2 2 1 ，其中论文中研究的是基于移 动台的定位技术。 ( 1 ) 基于移动台的定位 移动台根据接收到的多个基站的信号，计算出自己的位置，称为基于移动台的定位， 在蜂窝网络中也称为前向链路定位或移动台自定位。它的定位过程是，移动台利用接收 到的来自多个已知位置的发射机携带的与移动台位置有关的特征信息信号确定其与各 发射机的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能( p o s t i o nc o m p u t i n g f u n c t i o n ，p c f ) ，根据相关的算法计算出移动台的估计位置。 ( 2 ) 基于网络的定位 利用移动台传来的信号，计算出移动台位置的定位称为基于网络的定位其定位过程 是由多个基站同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关 的特征信息送到网络中的定位服务中心进行处理，计算出移动台的估计位置。定位服务 中心可看作事务处理器，它对来自不同计算机的位置测量请求，选择适当的定位接收机 基于i 塔s i 的w l a n 定位系统研究与实现 对指定的移动台进行所需的定位区测量，收集来自定位接收机的定位区测量，将所有信 息综合得到定位测量，并将该定位测量传送给发出请求的计算机。 采用基于网络的定位系统优点在于无需改进移动台，只需对网络设备作适当的扩 充、修改即可实现，充分利用了现有的资源设备。 ( 3 ) 移动台辅助定位 定位是由移动台测量网络中多个固定位置发射机同时发射的信号，将各接收信号携 带的相关信息由空中接口传回网络，计算出移动台的估计位置。移动台辅助定位的测量 和计算是由移动台和网络共同完成的。 2 1 3 无线定位基本技术 对移动设备的定位是通过检测位于已知位置的基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和移动设备 ( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 之间传播的无线电波信号来确定的，可以有多种技术来实现。 目前主要的无线定位技术有：基于信号到达时间( t i m eo fa r r i v a l ，t o a ) 、基于信号 到达时间差( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v m ，t d o a ) 、基于信号入射角( a n g l eo f a r r i v m ， a o a ) 、基于信号强度( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ，r s s ) 及混合定位技术等【7 ，2 1 。2 5 1 。 ( 1 ) 基于信号到达时间 t o a 技术是通过测量移动台发出的定位信号到达多个基站的传播时间来确定移动 台的位置。常用的方法是对信号由信源传到目标再反射回信源的往返时间进行测量，方 法的好处是不会依赖于移动台与基站间的同步，但该方法要求至少要有三个基站。由测 得的电波传播时间，可以把移动台的位置限制在以基站为圆心的圆周定位区上。通常两 个圆周相交于两点，移动台的位置会不确定。消除这种不确定点的方法可以通过利用第 三个基站对信号传输时间进行测量得到的轨迹圆来解决，如图2 1 所示。 b s 2 、 7r 2 图2 1t o a 定位技术示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft o al o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 、i 、叫一 瞬kl 刚 ， 、 一 、 一， 降，卜、 一，、b、吣弋、 、f、 大连理工人学硕士学位论文 ( 2 ) 基于信号到达时间差 t d o a 技术是通过测量移动台发出的定位信号到达多个基站的传播时间差来确定 移动台的位置，降低了时间同步要求。前面介绍的任两个t o a 的差就是t d o a ，也就 决定了一条移动台所在的以两个基站为焦点的双曲线，两条双曲线的交点就是移动台的 位置坐标，如图2 2 所示。有时会出现两条双曲线轨迹相交两点的情况，这时候要用第 三个t d o a 测量或依靠相关先验信息解决。对于t d o a 系统关键是需要建立基站间的 同步，否则会产生轨迹双曲线的偏离误差。由于t d o a 方法只需要知道信号传播时间的 时间差，不要求知道信号的实际传播时间，所以在通常情况下，定位精度高于t o a 技 术。 ， ； 、， 图2 2t d o a 定位技术示意图 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft d o al o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ( 3 ) 基于信号入射角 信号入射角定位技术一般是基站通过阵列天线测出接收信号从移动设备到两个以 上基站的传输路径的电波入射角获得位置信息的。 基站利用天线阵列来测量接收到的m s 的信号的方向，构成从基站到移动台的径向 连线，两根连线的相交点即为定位点，如图2 3 所示。这种方法不会产生二义性，因为 两条直线只能相交于一点。但是如果移动设备恰好位于两个基站的连线上，则用a o a 方法不能确定目标的位置，所以通常采用两个以上的基站提供定位。当移动台距离基站 较远时，基站入射角的微小偏差就会产生较大的误差。对于非视距的情况，信号定会经 过反射或折射，从而导致入射角度大的变化引起大的误差出现，所以a o a 定位技术适 用于多径影响较小的郊区。 基于r s s i 的w l a n 定位系统研究与实现 图2 3a o a 定位技术示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fa o al o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ( 4 ) 基于信号强度 r s s 技术是利用信号的衰减规律，即接收端离信号源越近，收到的信号强度越强， 反之越弱。它有基于移动台定位和基于网络定位两种方式。定位方法也有两种，一种是 传播模型法，另一种是定位使用信号强度指纹法。传播模型法是首先由接收到的信号强 度通过电波传播模型转换成距离，这个距离就是移动台和基站之间的距离。由多个计算 出的距离，就可以推算出移动台的位置坐标。信号强度指纹法是首先在系统的离线阶段， 记录某些特定位置的信号强度，并将这些信息存储起来。在系统的在线定位阶段，由指 纹数据和相应的坐标位置，估计出移动设备所在的位置。r s s 技术是比较简单，在无线 局域网中也使用得比较多的定位技术。 ( 5 ) 混合定位技术 混合定位技术利用两种或两种以上，上面介绍的定位技术来定出移动台的位置。混 合定位技术有t o a j a o a 、t d o a a o a 、t d o a t o a 、r s s t o a 、r s s t d o a 等。通过 利用两种及以上的定位技术，可以使定位的过程变得简单，某些情况下也能提高定位的 精度。 由于室内网络距离短、传播环境复杂，因而信号到达角、信号到达时间、信号到 达时问差等技术无法适用于室内环境。此外，t o a 或t d o a 信息需要发射机与接收机 之间的准确同步，这些要求在室内很多场合均很难达到：而a o a 需要智能天线，价格昂 贵且有定位盲点。所以难以精确测量t o a 、t d o a 和a o a ，很难得到较为精确的定位 结果。而r s s 的测量只需要一个信号强度测量设备，这个技术不需要额外的无线局域网 大连理i t 大学硕士学位论文 设备，所以最终论文中对无线局域网定位技术的研究，是基于无线信号强度值测量的方 法。 2 2 无线定位服务系统 目前，可以采用的定位方法通常有三类：推算定位( d e a dr e c k o n i n g ，d r ) 、接近 式定位( p r o x i m i t y ) 和无线电定位( r a d i ol o c a t i o n ) 。其中无线电定位又可分为卫星无 线电定位和地面无线电定位。卫星无线电定位利用g p s 、g l o n a s s 、北斗双星等卫星 系统的多个卫星实现移动目标的三维定位。地面无线电定位则通过接收信号的信息来实 现目标移动终端的二维定位【2 】。在以下章节中将主要介绍全球定位系统和蜂窝无线定位 系统。 2 2 1 全球定位系统 全球定位系统的英文缩写是g p s ，它是n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 的字头缩写词的简称。它的含义是利用卫星的测时和测距进行 定位导航【引。它是美国从2 0 世纪7 0 年代开始研制，于1 9 9 4 年全面建成的具有在海、陆、 空进行全方位实时定位能力的新一代定位系统【2 6 1 。 g p s 系统采用高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本观测量【2 6 1 。 g p s 由三部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分1 之2 7 1 。 ( 1 ) 空间卫星星座部分 g p s 的空间卫星星座由2 4 颗卫星组成，其中有2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星。这 些卫星均匀分布在6 个轨道平面内，其相对地球赤道面的倾角约为5 5 度。轨道平均高 度约为2 0 2 + 万千米，运行周期约为1 1 小时5 8 分。位于地平线以上的卫星颗数随着时间 和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见到1 1 颗。 g p s 空间卫星星座的分布使地球上的任何时间、任何位置至少有4 颗卫星被同时观 测，且卫星信号的传播和接收不受天气的影响。因此，g p s 是一种全球性、全天候的连 续实时定位系统。 ( 2 ) 地面监控部分 星的位置依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道参数算得。星历的提供、g p s 时间系统的确定、设备和卫星轨道的监控等都是由地面监控系统完成的。 地面监控部分包括1 个主控站、3 个信息注入站和5 个卫星监控站。主控站位于美 国科罗拉多州斯平士( s p r i n g s ) 的联合空问执行中心( c s o c ) 。5 个卫星监控站分别 位于全球5 个不同的位置，其中一处监控站在科罗拉多与主控站并置。注入站在阿森松 岛、迪戈加西亚和夸贾林岛3 个地方与监控站并置。监控站还有处位于夏威夷。 基于r s s i 的w l a n 定位系统研究与实现 ( 3 ) 用户设备部分 g p s 的空间部分和地面监控部分g p s 定位提供了基础，而用户设备则是用户得以 实现g p s 定位目的的工具。 用户设备通常称为g p s 信号接收机，它的主要任务是：能够捕获到按一定卫星高 度截止角所选择的待测卫星的信号，并对接收到得g p s 信号进行变换、放大和处理， 以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出测量站的三维位 置、三维速度和时间。g p s 具有全球全天候导航定位、定位精度高、实时定位速度快、 抗干扰性好和保密性强等特点。 2 2 2 蜂窝无线定位系统 随着蜂窝移动通信技术的迅速发展及移动台数目的急剧增加，使得对移动台的定位 需求变得越来越迫切。1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布的e 9 1 1 ( e m e r g e n c y c a l l 9 1 1 ) 法规及其1 9 9 8 年和1 9 9 9 年对这个法规的进一步细化，大大推动了蜂窝无线定位 技术的发展。目前，蜂窝无线定位系统主要有g s m 网络无限定位系统和c d m a 蜂窝网 络无线定位系统两种【2 , 2 8 - 2 9 】。 ( 1 ) g s m 网络无线定位系统 g s m ( 全球移动通信系统) 是由欧洲主要电信运营商和制造商组成的标准化委员会 在8 0 年代设计，并于1 9 9 2 年在欧洲各国投入运行的第二代蜂窝移动通信系统。 2 】g s m 系统包括g s m9 0 0 、g s m d c s l 8 0 0 和g s m p c s l 9 0 0 三种系统，他们分别工作在 9 0 0 m h z 、1 8 0 0 m h z 和1 9 0 0 m h z 三个频段。我国的g s m 通信系统使用的是9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个频段，北美地区使用的是1 9 0 0 m h z 频段。 在g s m 网络中，主要是利用测量信号的不同特征值来对移动台进行定位估计。测 量的特征值有t o a 、t d o a 、a o a 。t o a 方法是指测量信号由基站传输到移动台或由 移动台传输到基站的时间。t o a 常用的方法是测量电波信号由信源传到目标再返回信 号源的往返时间，而得到单程t o a 两倍的测量时间。t d o a 测量可以用移动台对多个 基站进行监听的方法，测量出每一对信号到达基站时间的差。它也可以用多个基站对移 动台进行监听并记录下t o a ，由移动定位服务中心( s m l c ) 计算出信号t d o a 。a o a 测量一般是在基站通过天线测出移动台信号的到达角，得到由基站到移动台的一个直线 定位区。由a o a 测量得到两条直线，两条直线的交点即为待定位移动台的位置。此外， 还有一些将不同的特征值结合的混合定位技术，也可进行移动台的定位估计。 ( 2 ) c d m a 蜂窝网络无线定位系统 大连理t 入学硕+ 学位论文 c d m a 是c o d ed i v i s i o na c c e s s 的英文缩写，意思是码分多址，第三代移动通信以 宽带c d m a 技术为主。c d m a 是在数字通信技术的分支扩频通信的基础上发展起来的 一种技术。它采用的是直接序列扩频方式，就是用具有噪声特性的载波以及比简单点到 多点通信所需带宽宽得多的频带去传输相同的数据【3 0 1 。 c d m a 网络可以采用的主要有基于c e l li d ( 小区识别) 的定位方法、基于网络 参数的定位法和基于g p s 的定位法三种定位方法【2 ，3 1 1 。基于c e l li d 的技术是利用覆 盖目标的c e l li d 来对移动台进行定位。基于网络参数的定位法是利用移动台和基站 已有的功能获得一些可用于定位的参数，然后利用这些参数进行定位。基于g p s 的定 位法利用集成了g p s 接收机的移动台，对用户进行g p s 定位，在一定条件下定位精度 可以达到1 0 米。前两种定位技术在基站密集的城市区域内满足大部分要求，而最后一 种由于大部分手机不支持i s 8 0 1 定位协议和g p s 定位功能而未能广泛应用。 2 2 3 存在的问题 g p s 已经被广泛使用来定位，但是它是一个不适合于室内定位的方法。在室内环境， 由于墙壁和物体的阻隔，人体的移动及其室内环境的复杂，导致g p s 在室内的精度不 高，不能达到要求。并且g p s 仪器昂贵的费用也是其定位应用普适化的较大障碍。而 蜂窝无线定位系统也由于室内环境对信号的阻挡和信号的波动性，其定位精度也是比较 差的，所以一种新的w l a n 定位技术应运而生。 2 3 基于w l a n 定位技术概述 无线局域网是近年来以灵活、方便、经济和易于扩展等优点而飞速发展的无线网络 技术。它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它采用无线电波作为传输媒体代 替传统的电缆，可提供传统有线局域网的功能，同时也实现了网络通信的移动化、个性 化和宽带化 3 2 】。 2 3 1 w l a n 基本概念 2 0 世纪7 0 年代，人们就丌始了无线网的研究。最早出现的无线局域网可认为是夏 威夷大学于1 9 7 1 年丌发出的、基于封包技术的a l o h a n e t ，它采用无线电台替代电缆线 的原因是为了克服由于地理环境因素而造成的布线困难【3 3 1 。1 9 7 9 年，瑞士i b m r u e s c h l i k o n 实验室的g f e l l e r ，首先提出了无线局域网的概念。1 9 8 0 年，加利福利亚惠 普实验室的f e r r e r t ，进行了真f 意义上的无线局域网项目的研究。但是由于没能从f c c 处获得需要的频段而最终流产。在整个8 0 年代，以太网得到了迅猛的发展，而无线网 作为了以太网的补充，遵循i e e e8 0 2 3 标准，使架构于i e e e8 0 2 3 上的无线网络产品 基于r s s i 的w l a n 定位系统研究与实现 存在许多弱点，这些限制了无线局域网的进一步应用。于是i e e e 在1 9 9 0 年成立了8 0 2 1 1 委员会，开始制定无线局域网标准。自此，无线局网才正真快速的发展起来。 无线局域网就是在局部区域内以无线