（计算机应用技术专业论文）基于zigbee无线网络的定位服务研究和应用.pdf

浙江大学硕1 ：学位论文 摘要 摘要 随着无线通信技术的日渐成熟，2 1 世纪正在从互联网时代进入无线互联时 代。新兴的无线通信技术，例如w i f i ，r f i d ，z i g b e e ，蓝牙，超声波等，在物 联网领域和“无线城市”的方方面面得到广泛的应用。z i g b e e 以其功耗低、成本 小、网络容量大、响应快等优越性在无线通信领域迅速兴起。基于z i g b e e 无线网 络的定位服务在资产跟踪监控，社区安防，物流管理，人员紧急救护等领域显示 了广泛的应用前景。 论文首先综述了各种主流的定位技术，包括时间到达( t o a ) ，角度到达 ( a o a ) ，蜂窝定位( c e l l i d ) ，以及基于接收信号强度( r s s ) 等，重点介绍了基于接 收信号强度定位技术的原理，发展现状和趋势。在接收信号强度定位技术的基础 上，本文提出了基于运动估计的指纹定位算法，算法从信号强度定位方式精度受 损的原因入手，改进了校准方式和最近邻求解公式，然后在构建运动估计图的基 础上，完成了运动估计定位方法。为了解决信号强度定位技术中，无线访问点 a p 失效的问题，论文提出了a p 失效补偿的处理方法，从传统质心算法改进工作 入手，实现了a p 失效的快速检测和信号估计，并在z i g b e e 无线网络环境下予以 实验验证。为了理论和应用相结合，设计开发了基于z i g b e e 无线网络的定位系统， 系统采用分层架构实现，利用中间消息平台实现了分布式扩展，最后以楼层定位 为例，实现了定位服务系统。 关键词：无线网络，z i g b e e ，信号强度，定位服务，运动估计，a p 失效补偿 浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w h e nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y , t h ei n t e r a c te r ai s c h a n g ei n t ot h ew i r e l e s si n t e m e te r ai nt h e2 1s tc e n t u r y n e wk i n d so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e ss u c ha sw i - f i ，r f i d ，z i g b e e ，b l u e t o o t h ，u l t r a s o u n da n d s oo n , a r eu s e dm o r ei ne v e r ya s p e c to ft h ei n t e n e to ft h i n g sa n dt h e ”w i r e l e s sc i t y ” z i g b e et e c h n o l o g y , f o ri t sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h el o wc o s t ，n e t w o r kc a p a c i t y , a n df a s tr e s p o n s e ，r i s e sq u i c k l yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sl o c a t i o n b a s e d s e r v i c e sb a s e do nz i g b e es h o w e dab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l ds u c ha s a s s e tt r a c k i n ga n dm o n i t o r i n g ，c o m m u n i t ys e c u r i t y , l o g i s t i c sm a n a g e m e n ta n d e m e r g e n c ya m b u l a n c e p a p e rf i r s t s u m m a r i z e dav a r i e t yo fc o m m o nl o c a t i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n g t i m e - a r r i v a l ( t o a ) ，a n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) ，t h ec e l l u l a rl o c a t i o n ( c e l l i d ) ，a n dw h a t b a s e do nt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ( r s s ) a n ds oo n ，f o c u s i n go nt h er e c e i v e ds i g n a l s t r e n g t ht e c h n o l o g y , p r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d s o nt h eb a s i so fr s s t e c h n o l o g y , t h ep a p e rp r e s e n t e dt h em o t i o ne s t i m a t i o nf i n g e r p r i n ta l g o r i t h m ，f o rt h e c a u s e st ol o c a t i o na c c u r a c y , i m p r o v e dc a l i b r a t i o nm e t h o d sa n df o r m u l a st os o l v et h e n e a r e s tn e i g h b o r , a n dt h e nb u i l tm o t i o ne s t i m a t i o nd i a g r a mt oi m p l e m e n tm o t i o n e s t i m a t i o nl o c a t i o nm e t h o d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fw i r e l e s sa c c e s sp o i n t f a i l u r e ，p a p e r sp r e s e n t e da pf a i l u r ec o m p e n s a t i o na p p r o a c h ，s t a r t i n g w i t ht h e t r a d i t i o n a lc e n t r o i d a l g o r i t h mi m p r o v e m e n t s ，i m p l e m e n t i n gt h ea pf a i l e dr a p i d d e t e c t i o na n dt h ef a i l i n ga ps i g n a le s t i m a t i o n ，s i m u l a t i n gt h ez i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k t ov e r i f y t ol i n kt h e o r ya n dp r a c t i c e ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fz i g b e e b a s e d w i r e l e s sn e t w o r kl o c a t i o n s y s t e m w a sc a r r i e do u t ，t h e s y s t e mu s e dal a y e r e d a r c h i t e c t u r ea n dd i s t r i b u t e dm e s s a g i n gp l a t f o r me x t e n s i o n , f i n a l l yt o o kt h ef l o o r l o c a t i o na p p l i c a t i o nf o re x a m p l e ，f i n i s h e dal o c a t i o ns e r v i c es y s t e m k e y w o r d s ： w i r e l e s sn e t w o r k ，z i g b e e ，s i g n a ls t r e n g t h ，l o c a t i o ns e r v i c e ，m o t i o n e s t i m a t i o n ，a pf a i l u r ec o m p e n s a t i o n 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 物联网应用：医疗救护2 图1 2 物联网应用：园区安防2 图1 3 无线城市w i f i 业务的增长3 图3 1 运动预测图示意19 图3 2 定位实验环境。2 3 图3 3 定位实验2 4 图3 4 定位结果分析2 4 图4 1c e n t r o i d 方法流程图2 7 图5 1 基于z i g b e e 无线网络的结构3 7 图5 2 两种实用校准方式4 0 图5 3 定位引擎架构4 1 图5 4 核心定位模块关系4 2 图5 5 定位网络服务架构4 4 图5 6 分布式定位系统架构。4 6 图5 7 地图和z i g b e e 子网络对应关系4 7 图5 8 多地图定位展示效果。4 8 图5 9 空间数据库的j a v a 应用4 9 图5 1 0 校准工具箱一校准采样_ 5 0 图5 1 1 校准工具箱一信号查看和分析5 0 图5 1 2 定位显示51 图5 1 3 区域拖拽实现5 2 图5 1 4 查询历史定位轨迹5 2 i v 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表4 1 实时监测a p 失效验证3 2 表5 1 定位设备比较3 5 表5 2 校准数据表结构3 9 表5 3 数据交换平台接口列表4 1 表5 4 定位a p i 列表4 4 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字同期： 年月 日 浙江人学硕上学位论文第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 物联网的兴起 第1 章绪论 2 0 0 9 年初，美国总统奥巴马就职后，将“新能源”和“物联网”列为振兴经 济的两大武器。而我国也开始加速推动“物联网”的进程，2 0 0 9 年8 月7 日，国 务院总理温家宝视察了中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心，并作出一系列 重要指示，“物联网的概念深入人心。物联网是1 9 9 9 年提出的名词，物联网 的简单定义就是所有物品组成的互联网。连接所有物品的技术包括g p s 全球定位 系统，红外探测器，r f i d 射频识别等，通过这些无线技术和传感器装置，实现 家居，医疗，交通，司法，农业等领域的智能化管理，识别，定位，安保监控等 应用。 物联网涉及到多种无线技术，例如r f i d 、w i m a x 、z i g b e e 、w i f i 、蓝牙和 u l t r a w i d e b a n d 等，在写字楼，家居，校园，车站码头等各种场景得到了广泛的 应用。以这些无线网络技术为基础，结合计算机领域中的数据库技术，网络技术， 服务科学，普适计算等，构建由传感网络和互联网组成的庞大网络及其应用。专 家预计，这一技术领域蕴藏开拓着上万亿元的规模的高科技网络的潜力，将极大 地改变人们未来的生活方式。物联网的深入发展，将会把现实生活中的往事万物， 最终连入互联网，这种方式连接了现实生活和虚拟网络，是趋势所向。 物联网应用中无线定位应用，与现实生活和工作密切相关，在安全监控，人 员安全保障，仓储物流，医疗救护等领域有迫切的需求和广泛应用。如图1 1 和 如图1 2 所示。 浙 学啦 ：学位论文第】绪论 下：i 住院区a o # _ 1 u # 酚一门嗡二 弘鼍辫 挂号 图1 i 物联同应用：医疗救护 图l2 物联网应用同匣安防 1 i 2 “无线城市”理念 2 0 0 2 年，美国费城最初提出了“无线城市”的概念，起先是为了发展基于 8 0 2 1 i b 为标准的w i f i 无线局域网络技术，扩大实现无线网络覆盖率，提高城 市生活质量。随着无线阔络技术的飞速发展“无线城市”内涵在不断发展变化， 并且持续地丰富其外延含义。“无线城市”已经成为一种文明社会发展的重要方 2 幅害 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 面，能将信息和数据便捷、迅速、直接地传递在人们的社会活动中，城域范围的 w i f i 和w i m a x 网络具有越来越重要的技术价值、社会和经济价值，成为了城 市的重要公用基础设施。利用城市覆盖的w i m a x 和w i f i 网络，可实现漫游、 高速移动网络功能，结合身份识别等技术能提供无线商务、无线导游、无线助理 等多种增殖服务；能为智能交通，移动政务，远程医疗等提供社会服务事业提供 无线的支持。这些将为城市信息化和产业化建设发挥巨大的革新作用。 无线网络定位服务是“无线城市”外延理念中的重要发展内容，为“无线城 市 建设中的基于位置，身份的服务开辟了更为专业的应用领域。包括大型园区 车辆跟踪，码头车站货流管理，施工人员安全保障，弱势群体关爱等领域，有迫 切的需求和广泛应用。无线城市w i f i 业务增加如图1 3 所示。 中国w l f | 服务市场规槿及增长趋势 图1 3 无线城市w i f i 业务的增长 1 1 3 无线定位服务发展 在物联网蓬勃发展的契机之下，无线网络和移动通信技术日新月异，位置感 知计算1 1 ，基于位置的服务越来越得广泛进入人们的生活和工作视野中。常用的 舌； 加 蚰 加 仲 0 浙江大学硕士学位论文第1 帝绪论 定位手段包括g p s 定位，红外线定位、超声波定位、射频定位，w i f i 定位等， 但各种定位手段中都存在一定的局限性。 g p s 全球定位系统【2 】发展开始于2 0 世纪7 0 年代，是目前最为广泛和成熟的 室外定位技术，是美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统。g p s 主要利用若 干数量卫星的测量数据计算移动用户位置，即经度、纬度和高度。可以用于车辆 导航和车辆调度，远洋导航，航班导航等，在此基础上还出现了增强型g p s ，辅 助g p s 等技术，它们可以广泛用于星际导航和武器跟踪等领域。g p s 定位的优点 是卫星有效覆盖范围大，基本上全球覆盖，全球用户免费使用导航卫星信号，全 天候定位而不受天气气候影响；缺点是卫星信号到达地面信号较弱，由于较难穿 透建筑物，在某些高楼林立的街道便无法使用，因此不适合室内定位。g p s 所能 达到的定位精度范围在5 m - 2 0 m 。 在g p s 发展过程中，从2 0 世纪9 0 年代末开始，许多研究机构和高校实验室 开始了探索其他定位技术的研究。最具有代表性的有a t & t 的a c t i v eb a d g e s 项 刚3 1 ，c r i c k e t l 4 1 ，微软的e a s yl i v i n g t 5 1 以及g e o r g i a t e c h 公司的s m a r tf l o o r 项卧6 】 等。上述项目虽然取得了一定的效果，有的还可以达到较高的精度i 但这些定 位系统需要添加特殊硬件支持，实用性差。 近几年基于8 0 2 1 l 的无线局域网广泛部署覆盖在学校，写字楼，图书大厦， 机场大厅等公共场所，同时p d a ，笔记本电脑基本上都内置接收w i f i 信号的无 线网卡，基于w i f i 的定位成为定位研究的热点。w i f i 定位是一种基于信号强 度的定位解决方案。它成本适中，主要应用于中小范围室内定位。芬兰的e k a h a u 公司【_ 7 】研发了利用w i f i 信号进行室内定位的r t l s 系统，定位精度1 - 3 米；而 s k y h o o k 公司【8 】研发了基于w i f i 的定位系统w p s ，能通过w i f i 接入点产生准 确的位置信息检测。但w i f i 收发器主要为无线大数据量传输设计，所以能耗较 高，导致移动终端电池不能不能长时间工作，是阻碍了w i f i 定位系统的推广主 要原因之一，现有w i f i 无线定位技术在定位精度、抗干扰能力、能耗控制等方 面都存在一定缺陷。 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 i 强i d 射频技术在现实生活中时常遇到，利用电子标签，可以应用在快速读 写、跟踪管理，i c 卡门禁等系统中。r f i d 定位是在区域的特定地点安放射频标 签读写器之后，系统可以实时检测到带有r f i d 设备装置的人或物体处于什么位 置，其原理类似于在关键位置的登记功能。r f i d 的优点是技术成熟，市场基础 好，r f i d 定位系统不需要卫星或者手机网络的配合，其精确度在于r f i d 读写器 的分布，而读写器的分布可以由用户自身根据实际需要进行设置，很适合只需要 在特定区域进行定位的用户，具有极高实用价值；缺点就是定位精度差，且射频 辐射较强。 近年来，z i g b e e 技术以其低功耗、低复杂度、低成本、大容量、短时延等优 越性在无线通信领域异军突起，大有赶超w i f i 定位的趋势。 1 2 本文的研究内容及组织结构 1 2 1 研究内容 本文参考了相关文献和国内外研究成果，介绍了无线定位服务的各种技术， 包括基于信号到达时间t o a 定位【9 1 ，信号到达角度a o a 定位【1 0 1 ，还有基于无线 局域网信号接收信号强度的r s s 定位【1 1 1 4 】等。以r s s 算法研究为重点，从r s s 定位算法的发展趋势入手，提出了( 1 ) 基于运动估计的指纹算法；( 2 ) 无线网络 a p 失效补偿方法。基于运动估计的指纹算法的是对普通指纹算法的改进处理； 为了解决在a p 损坏失效的情况下，r s s 定位技术失效的实际问题，论文研究了 无线网络a p 失效补偿方法。最后论文采用z i g b e e 无线网络，设计和实现了定位 服务系统。 1 2 2 组织结构 论文分为六章，第一章绪论，首先介绍了物联网和“无线城市”的迅速发展 以及其背景影响下，无线定位服务的广阔前景；然后介绍了无线定位服务的发展 概况。最后介绍了论文和研究内容和组织结构。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第二章无线定位技术综述，介绍了各种主流的定位技术，包括时间到达 ( t o a ) ，角度到达( a o a ) ，蜂窝定位( c e l l i d ) 1 1 5 】，以及基于接收信号强度( r s s ) 等，重点介绍了基于接收信号强度定位技术的原理，发展现状和研究趋势。 第三章是基于运动估计的指纹定位研究，算法从信号强度定位方式精度受损 的原因入手，改进了校准方式和最近邻求解公式，然后在构建运动估计图的基础 上，完成了运动估计定位方法并对其在真实环境进行了验证。 第四章是无线网络a p 失效补偿方法，提出了质心算法【1 q 的聚类改进，在此 基础上做区域定位能增加准确度。然后着重提出了无线访问点a p 失效的实时快 速检测和失效a p 的信号强度估计和补偿。 第五章是基于z i g b e e 无线定位服务系统设计和实现，选择了z i g b e e 模块作 为定位系统的无线设施，设计了数据传输协议，实用校准工具，提出了简易的定 位引擎架构。提出了无线网络划分子网的分布式架构。最后基于本章架构，实现 了一个楼层场景的系统应用。 第六章是总结和展望，对本文工作进行总结，提出了定位服务技术和算法的 改进点。 6 浙江大学硕士学位论文第2 章无线定位技术综述 第2 章无线定位技术综述 2 1 概述 近年来，随着无线移动设备及无线局域网的不断发展和普及，利用无线网络 的定位技术不断发展。g p s 可提供精确的定位结果且速度快【2 】，但其在g p s 信号 弱的环境下定位效果差。在这种环境下，早前研究较多的是利用红外线进行定位， 如o l i v e t t i 研究所开发的a c t i v eb a d g el o c a t i o ns y s t e m 3 1 。该系统布置传感网络用 于传输红外信号，移动者随身携带红外发射装鼍，每隔一段时间其发射红外信号， 传感网络将此红外信号传送到中心节点进行定位处理。由于红外线的传播距离较 短且要求直线视距，因而不适合大规模应用，同时红外线受日照影响大，对于采 光较好的房间不适用。此外，剑桥大学、兰卡斯特大学【1 8 】、北京邮电大学1 卅 和上海交通大学【2 0 】利用超声波进行定位，超声波受其它超声波的影响大，因而定 位系统每一时刻只允许单独发射一个超声波，使得多移动节点的定位延时大，且 在日常生活中人的活动极易产生超声波( 敲打桌子、东西落地等) 对定位结果影 响大。目前也有使用直流磁场进行定位【2 l 】，此类设备定位结果较精确，但设备相 当昂贵，难以推广。 2 2 无线定位 2 2 1 无线定位分类 无线定位从原理上分类主要有三角定位，基于信号到达时间t o a 定位【9 】，信 号到达角度a o a 定位【l o 】，还有基于无线局域网信号接收信号强度的r s s 定位 j h 4 1 ；从无线硬件装置上分类，分为基于g p s 定位，w i f i 定位，z i g b e e 定位， r f i d 定位，红外定位，超声波定位等。三角定位是目前定位技术中最为常用的 一种算法，他通过三角几何法则与无线基站间的协作，完成基于基站的定位；t o a 技术的原理是根据信号在空中的传播时间估计信号接收终端和各个发送基站的 位置；a o a 算法是通过估计信号传播时候到达目的地的角度，根据每一个信号接 收终端的已知位置和接收信号到达角度来分析得出发送基站；基于r s s 技术是利 7 浙江大学硕士学位论文第2 章无线定位技术综述 用终端接收到的信号强度r s s 变化来定位。其中利用信号强度定位精度高，受到 了广泛关注。 2 2 2 研究现状 c e l lo f o r i g i n 蜂窝定位技术，又称之为c e l l i d 定位技术。每一个c e l l 蜂窝 都有其标识自己的i d 识别码，当移动终端从一个蜂窝区域切换进入另外一个区 域的时候，终端会在从原区域注册到新进入的区域，注册区域的识别码数据相应 传输到系统中，就可以定位到蜂窝区域的i d 识别码。这种定位技术无需对现有 网络和手机做较大的修改，响应时间快，在蜂窝密集的地区精度较高且易于实现。 但是应用于低密度的乡村地带，由于基站覆盖稀疏，缺乏精度。 r f i d 即射频识别，是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，基本的r f i d 系统由标签阅读器( r e a d e r ) 、( t a g ) 、天线( a n t e n n a ) 三部分组成。r f i d 通过射频 信号自动识别，快速读取目标标签并获取相关数据，r f i d 技术应用领域相当广阔 的，安保、门禁、考勤、医疗救护，电子护照等领域已经到处可见r f i d 的成熟 应用。r f i d 定位系统不需要卫星或者手机网络的配合，其精确度在于r f i d 读写 器的分布，而读写器的分布可以由用户自身根据实际需要进行设置，很适合只需 要在特定区域进行定位的用户，r f i d 定位和蜂窝定位原理类似，精度取决于基 站的覆盖密度。 a n g l eo fa r r i v a l 定位技术【1 0 】：角度到达a o a 的原理是根据基站发送信号到 达移动终端接收信号的角度，确定移动终端和基站的角度关系实现定位。角度达 到这种定位技术的重要前提是基站需安装阵列天线。理论上移动终端只需要接收 两组带角度到达信号，确定两组移动终端与两个基站角度之间的交点，就可以得 到定位结果。a o a 时间到达定位技术所需阵列天线成本较高，由于存在覆盖盲点， 有的区域无法同时得到两组移动终端与两个基站的角度到达信号。 t i m eo fa r r i v a l 定位技术【9 】：时间到达定位技术首先必须保证基站之间的时 间同步。由于距离基站的距离差异，当移动终端的测量信号到达的时候，具有不 同的时间戳，便可以求得移动终端和基站之间的距离。t o a 技术以移动终端为圆 r 浙江大学硕上学位论文第2 章无线定位技术综述 心，信号传输的距离为半径，所有圆弧的交接点就是移动终端定位计算的位置。 由于时间到达定位技术t o a 必须保证基站之间的绝对时间同步，所以不必满足 绝对时间同步的要求，t d o a 在t o a 的研究上提出了改进。t d o a 就是到达时 间差t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l 定位技术【9 】，不需要时间的绝对同步。每两个基 站被移动终端进行协同监听，并测出同一测量信号到达此两个基站的时间差。每 两个基站形成一个双曲线，若干组基站同时得到一组双曲线，通过算法计算就可 以得到移动终端的位置。 2 3 基于信号强度定位 2 3 1 概述 利用信号强度r s s 定位的基本原理【1 1 1 是移动终端接受的信号强度和终端到 无限访问点a p 间的距离存在反向增长的规律。随着环境复杂度的增加，如何定 量描述这个规律是信号强度定位算法的难点，目前这种变化规律只能得到近似的 描述。 噪声干扰：在无线通信中，8 0 2 1 1 协议的工作频段是2 4 g h z ，这信号的 是开放的频段，接近2 4 g h z 的无线设备使用广泛，包括蓝牙，w i f i ，z i g b e e ， 甚至手机。信号在传播过程中极易受到其他设备的噪声干扰。非视距传播衰减【1 l 】： 即使是噪声干扰降低到最低，由于信号在传播过程中被人体等障碍物阻挡，也会 引起干扰【 2 2 】。在同一地点，人体面朝无线访问点a p ，其测得的信号强度和背向 a p 测得的信号强度，会相差若干分贝，这种影响就是非视距传播衰减。多径效应 2 3 2 4 ：在非空旷地带，由于环境复杂，信号传播过程中将经历衍射，折射，漫反 射。信号发射往往从不同路径传播到才达目的地，从而到达角度，到达时间，信 号强度在时域上有误差。这种多种效应在矿道，大楼等环境下尤其明显。环境依 赖性：基于信号强度的定位，依赖于无线访问点的合理部署，一旦所有无线访问 点，定位系统将无法适应环境的改变，实际上无线访问点的位置迁移，环境布局 的变化可能时常发生。如果发生以上环境变化，将直接影响定位的精度甚至定位 系统的可用性。 9 浙江大学硕十学位论文第2 章无线定位技术综述 2 3 2 研究现状 。 利用无线信号强度定位算法主要有传播模型法和指纹识别法。传播模型法是 建立无线信号在环境中的传播模型，主要有经验模型 2 5 , 2 6 、确定模型【2 7 】、统计模 型【2 8 ，2 9 1 ，根据所建模型来确定待测点位置。但无线信号在室内通常发生反射、折 射、衍射，产生多路径效应，因而很难通过模型准确描述无线信号的传播情况， 使得模型定位法的精度不高，误差在5 米以内【1 1 1 。指纹识别法可分为两个过程： 离线校准阶段和在线定位阶段【3 0 1 。离线校准阶段的主要工作是在需定位区域内的 若干个测量点位置进行接收信号强度测量，连同这些测量点的位置信息一同保存 到数据库中，这些被保存的信息即为“位置指纹”。在线定位阶段是将实时测量 的信号强度信息与位置指纹数据库中的信息进行比较，采取匹配算法，将信号强 度最接近点的位置作为估计位置。指纹识别法的精度高，误差在2 3 米内】，同 时精度与校准阶段密切相关，校准的测量点多则精度高。校准数据时有两种方法： 平均法【1 1 】和概率法【3 0 1 ，平均法是对同一个位置多次测量求平均作为校准数据，而 概率法则采集较多数据，形成每个a p 在该点上的直方分布图，保存在无线信号 强度分布图中。需要大量的校准工作是指纹识别的不足之处。由于人、天线方向 等因素会影响信号大小，进而影响校准阶段的数据搜集，产生误差。指纹识别法 伪代码如下所示。 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章无线定位技术综述 基于无线网络的室内定位存在的主要问题是易受信号衰退，多路径衰减，复 杂环境的信号折射、反射、衍射等无线信号特征影响【2 3 】，且室内环境人员身体会 影响无线信号传输【2 3 3 3 1 ，导致信号强度出现上下波动。国内外相关研究针对以上 问题，已经做了一些针对性的初步研究和改进，如口4 1 针对影响定位的多路径因素 对信号分析做出改进，【3 5 】使用多方向校准方式模拟定位运动物体情况，这种改进 浙江大学硕上学位论文 第2 章无线定位技术综述 针对了定位移动人体的运动特征，在特定情况下略微提高了定位准确率，但是严 重加大了工作量。针对运动物体定位易受人或移动障碍物阻挡影响，1 3 6 从统计的 角度，多个情景下分析o n b o d y 衰减的影响，【3 7 】分析了人体对信号影响的建模， 提出了人体可以近似成特定几何物体，但是依赖经验于枚举各种情景，缺乏通用 性。 w i f i 定位是一种基于信号强度的定位解决方案。它成本适中，主要应用于 小范围室内定位。但w i f i 收发器主要为无线大数据量传输设计，能耗较高，导 致移动节点不能长时间工作，阻碍了w i f i 定位系统的进一步推广。芬兰的e k a h a u 公司开发了能够利用w i f i 进行室内定位的软件。w i f i 绘图的精确度大约在l 米至2 0 米的范围内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。目前， 它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，w i f i 收发器都只能覆盖半径9 0 米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从 而影响其精度，定位器的能耗也较高。 基于w i f i 无线定位技术在抗干扰能力、能耗控制等方面都存在一定缺陷。 近年来，z i g b e e 技术以其低功耗、低复杂度、低成本、大容量、短时延等优越性 在无线通信领域异军突起，基于信号强度的无线定位解决方案中，z i g b e e 大有取 代w i f i 之势。 2 3 3 发展趋势 目前基于信号强度定位的算法研究热点集中在如何减少环境中的干扰因素 对定位结果的影响，提高定位精度。增强无线局域网对噪声干扰的鲁棒性，合理 部署无线访问点来弱化多径效应，研究非视距传播模型等。 主要的研究趋势有以下几个方面： 1 ) 减少前期勘测工作，挖掘定位环境特征，借鉴合理有效的传播模型，定位 运动偏好分析来预测定位方向和运动速度。提高前期的部署勘测和数据采样工作 的效率。2 ) 提高定位频率和效率。基于信号强度定位依赖于信号强度的在校准采 1 2 浙江人学硕上学位论文第2 章无线定位技术综述 样数据的检索，匹配和过滤。研发高效率计算的系统在很多应用中至关重要。3 ) 提高定位系统的移植性和扩展性。定位系统应该能够适应环境的变化和扩展，实 现多精度标准的定位，区域定位和精确定位结合。 从r s s 定位技术的研究趋势入手，为了提高定位算法的实际应用性，本文提 出了( 1 ) 基于运动估计的指纹算法；( 2 ) 无线网络a p 失效补偿方法。基于运动估 计的指纹算法的是对普通指纹算法的改进处理，提高定位准确度；同时为了解决 在a p 损坏失效的情况下，r s s 定位技术失效的实际问题，论文研究了无线网络 a p 失效补偿方法。 2 4 本章小结 、 本章介绍了各种主流的定位技术，包括时间到达( t o a ) ，角度到达( a o a ) ， 蜂窝定位( c e l l i d ) ，以及基于接收信号强度( r s s ) 等，重点介绍了基于接收信号强 度定位技术的原理，发展现状和研究趋势。根据发展现状和趋势，引出本文下面 的研究内容。 浙江大学硕士学位论文第3 章基于运动估计的指纹定位研究 第3 章基于运动估计的指纹定位研究 利用无线网络的接收信号强度r s s 来进行位置计算，主要有信号强度衰减模 型技术，以及基于接收信号强度指纹技术两个研究方向。 指纹定位算法的原理是：给定一个空间位置，终端节点可以侦测到若干确定 信号强度的无线访问点a p ，这些a p 组成一个包含信号强度信息的集合。集合的 信息是这个确定的空间位置信息所有特有的，亦即不存在另外一个空间位置，具 有等价的a p 及其信号强度集合。因此包含信号强度信息的a p 集合就代表了这 个空间位置，亦即指纹。 在定位过程中，移动节点侦测到的所有a p 中，可以选择信号强度最强的疗个 a p 或者所有a p 作为该位置的标记。因为在信号较强时，信号大小与距离的变化 较明显，建议取信号强度最强的刀个a p ，更能有效标识该当前位置。然后，将这 行个a p 信号同校准表中的数据进行比较，检索出校准表中所有含有这 个a p ， 且它们之间的信号距离最小的坐标位置，称之为最近邻集合。将检索到的最近邻 集合求平均，得到定位坐标。最后通过速度过滤、信号强度过滤等手段对该定位 坐标进行判断，将不满足条件的结果舍去，得到最终正确合理的定位结果。 基于接收信号强度r s s 的定位技术，定位终端的运动与静止等状态是通过终 端接收信号强度变化和差异来判断的。但是接收信号强度的变化往往由于终端物 体运动过程中，人体或者其他障碍物的阻挡，其信号强度规律变得难以掌握和预 测，是实际应用的主要瓶颈之一。将运动状态估计引入到定位过程中，针对信号 波动带来的影响进行合理的结果过滤和定位预测，将会可以有效提高定位的精 度。 3 1 指纹定位误差分析 基于接收信号强度r s s 的指纹定位技术，主要包括两个阶段：离线阶段的数 据采集，也就是校准阶段；在线阶段的信号匹配，也就是指纹匹配。所以定位误 1 4 浙江大学硕士学位论文第3 章基于运动估计的指纹定位研究 差本质上首先来源于两个方面。 1 校准数据的误差 基于接收信号强度的指纹技术，原理是信号强度和“标准历史信号强度进 行模式匹配的过程。“标准历史信号强度就是校准工作中，经过实测得到的校 准数据。实际运用中由于参考空间位置的选取缺乏统一标准，以及环境的复杂性， 选取的标准往往带有盲目性。通常选取参考空间位置是同一密度，1 米或2 米一 个参考位置，浪费了实施成本，同时增加了产生误差的概率。校准数据的细小误 差会在在线定位过程中造成定位的误差甚至错误。 2 匹配公式和参数合理性 t 指纹定位算法最为关键的就是匹配公式，应用最多就是欧氏距离公式。欧氏 距离公式比较直观地比较了信号强度距离，不同参数距离公式的计算结果由于加 权系数，被选最近邻数目，过滤阈值等差异，定位结果差异较大。因此距离公式 和参数合理选取与否，是降低指纹定位误差的关键。 3 信号强度的易干扰 同时由于环境复杂，受到不同材质的墙体和天花板影响，以及无法预测的行 人运动和室内装修情况制约信号，信号传播以及衰减情况变得十分复杂。接收信 号强度的易干扰对基于指纹技术定位的结果影响很明显。即使保证校准数据确， 匹配公式参数都很合理的情况下，随便穿行的人体也会降低定位结果准确性。 3 2 校准改进方法 离线校准阶段是每隔一段距离选取环境的参考采样点，实测参考采样点位置 的接收信号强度值，存储到数据库或数据文件。通常校准选取每隔1 米，2 米或 者3 米一个参考采样位置进行采集信号强度数据，但是这种校准方式工作量较大， 增加了实施时间成本，同时增加了出错误差的概率。另外也有每个范围选取少数 若干点的方式，这种方式校准简单，但是选参考采样点位置的标准不明确，会降 低精度。 浙江大学硕士学位论文第3 章基于运动估计的指纹定位研究 3 2 1 参考点选择原则 通过实验发现，校准参考位置的选择将直接影响到定位系统的精度，并不是 所有校准参考位置都适合采样存入校准数据库。针对参考位置难以确定的情况， 映射校准可以参考以下两条策略对校准人员给出建议。 所有a p 的接收信号强度方差大于阈值。合理的一条校准记录的每个a p 信号强度之间，应该具有一定的区分度。区分度体现了这个参考位置离 开a p 的“远近”关系。方差可以近似度量这个区分度参数。 当前待选参考位置的信号己= 侈，s 2 ，s ，) 与己校准入库的所有记录的信 号距离大于阈值。基于指纹的接收信号强度的定位，本质上是对所有校 准数掘进行最近邻选取，如果校准数据之间本身都没有区分度，明显对 定位结果造成误差和错误。 3 2 2 自适应参考点 离线校准阶段采取环境自适应方法来筛选采样点，根据部署环境的无线信号 覆盖，综合复杂环境导致的衰减特征，以及环境本身的特征，选取有以下特点的 指纹。 3 2 2 1 信号特征 实验发现，无线网络环境都存在特征指纹。无线网络环境的特征指纹是指某 种无线访问点部署方案实施之后的信号强度的稳定属性。一般的校准位置信号强 度特性可能随着信号噪声，或者发射折射过程中的干扰，而发生比较大的波动； 算法希望在特征位置校准所得的信号指纹特征是相对稳定的。 每个校准位置的信号强度特征描述成p ，y ) = 8 。，s ”，s 。 ，x ，y 为位置坐标， 各个s ，的r s m 值是按照从大到小排序的。候选特征指纹位置必须满足两个条件： x ，y 位置的八个方向上的邻接指纹有相同a p 集合，且具有相同的排序组合， 保证了在位置x 。y 的以及其邻域的一定范围内，指纹具有相同的m a c 集合，所以 指纹特征是稳定的。例如在z y 与其右边的邻点： p ，y ) = p 似+ l ，y )公式( 2 1 ) 1 6 浙江大学硕士学位论文 第3 章基于运动估计的指纹定位研究 同时为了选取了指纹特征性强的点，在位置x ，y 处所有a p 之间，信号之间存 在整体差异d ，适合作为导向指纹。并且，对于x ，】，位黄本身而言，参数d 的计 算公式： d q 公式( 2 - 2 ) 其中d = i r s $ ， t r s s i ，) l 瑚，。，其中r s s i ，聊，分别是是s ，s j 的信号强度， r s s i 。是尸似，j ，) 中最强的信号强度。 通过以上两个公式得到的候选特征指纹集合为：f = 彤仪，r ) ) 其中x ，】，为位置坐标，定义位置之间距离： o v ( i , j ) - - 一) 2 + 化一弓) 2 公式( 2 3 ) 根据公式( 2 3 ) 在f 中遍历每对元素，根据o ( i ，) t 3 把所有元素分类形成