（计算机应用技术专业论文）无线处境感知系统中的关键问题研究.pdf

摘要 随着移动通信技术的迅速发展，特别是基于i e e e8 0 2 1 l 无线网络技术应用的普及， 如何确保向用户提供适合于当时环境的信息，并据此做出决策和自动提供相应的响应与 服务，是迫切需要勰决的问题。而解决这一问题，最好的思路是当前国内外研究的 c o n t e x t a w a r p “处境感知”技术。“处境感知”是无线网络应用中的一项重要技 术，其被定义为系统可以根据用户当前环境提供相应服务的能力。一个处境感知系统可 以收集附近的人、主机、相关设备的信息以及它们的变化来决定接下来的行为。本文针 对“处境感知”技术中的几个关键问题进行了研究，并提出了解决办法。 在构建处境感知系统时，越来越多的人开始使用多代理结构使得整个系统便于扩展、 易于管理。在我们的研究中，我们提供了一种基于多代理机制的处境感知系统架构。在 系统架构的构建中，我们注重整个系统结构的模块化以及各部分的独立性，以增强系统 的可扩展性。 我们提出了一个基于8 0 2 1 1 的定位算法 i i n n s s ，该算法由于充分利用了信号强度信 息，因此算法具有较低的距离误差，并具有较高的区域区分准确度。我们还提出了一种 联合定位方法，通过使用这种方法，我们可以同时使用多种可以用于辅助定位的信息， 并可以同时使用多种定位方法，共同应用于室内定位中，从而提高定位精度。通过实验， 我们证实了这种方法相对于单一的定位算法，具有巨大的优势。 在实际的应用中，特别是对于利用信号强度进行定位的系统中，如何合理规划a p 的摆放位置对定位精度有着至关重要的影响。基于以上原因，我们提出了一个a p 摆放 算法b a f o ，该算法的原则是让a p 的摆放位置远离障碍物，尽可能减少受到障碍物影响 而使信号强度衰减的区域，从而提高信号强度的区分度。 论文最后实现了一个基于c o n t e x t - a w a r e 技术的医院信息系统模型，在这个系统中， 用户可以给其他用户发送信息，这些信息将在特定的时问和特定地点发送给特定接收 者。在系统的实现中，我们应用了上述关键技术。 关键词：无线局域网络8 0 2 i i 处境感知无线定位多代理机制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e se s p e c i a l l yi e e e8 0 2 1 1 b a s e dw l a nt e c h n i q u e s ，h o wt op r o v i d ei n f o r m a t i o nt h a tb e s tm a t c h e st h ec u r r e n tc o n t e x to f t h eu s e r s , a n dh o wt om a k ed e c i s i o na n dp r o v i d ec o r r e s p o n d i n gs e r v i c e sa c c o r d i n gt ot h i s i n f o r m a t i o n ，i sa np r o b l e mt h a ti su r g e n t l yn e e dt ob es o l v e d c o n t e x t a w a r ei sa ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yi nw i r e l e s sn e t w o r ka p p l i c a t i o n s c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gi sa l la p p l i c a t i o n s a b i l i t yt oa d a p tt oc h a n g i n gc i r c u m s t a n c e sa n dr e s p o n da c c o r d i n gt ot h ec o n t e x to fu s e r a c o n t e x ta w a r es y s t e mi sa b l et od e c i d ew h a ti ts h o u l d 面a c c o r d i n gt od i f f e r e n te n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o na b o u tp e r s o n , c o m p u t e ra n dd e v i c e s t h i st h e s i sd i s c u s s e ss e v e r a lk e yi s s u e si n c o n t e x t - a w a r et e c h n i q u ea n d p r o v i d e sc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ep e o p l eu s em u l t i a g e n ta r c h i t e c t u r ei n b u i l d i n gt h e i r a p p l i c a t i o n st om a k et h c i ra p p l i c a t i o n se x t e n s i b l ea n dm a n a g e a b l e i no u rr e s e a r c h , w ea l s o p r e s e n tam u l t i a g e n tb a s e da r c h i t e c t u r eo fc o n t e x t a w a r es y s t e m s i nt h er e s e a r c ho ft h e a r c h i t e c t u r e ，w ef o c u so nt h em o d u l a r i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e ma n dt h ei n d e p e n d e n c eo ft h e d i f f e r e n t p a r t s ，a n dt h e ne n h a n c e t h ee x t e n s i b i l i t yo ft h es y s t e m w e p r e s e n ta n8 0 2 1 1b a s ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h mm n n s s m n n s sf u l l yu t i l i z e st h er s s i n f o r m a t i o n , a n d5 0w ec a ng e tl o wd i s t a n c ee r r o ra n dh i g hc o r r e c t n e s so fr e g i o nc l a s s i f i c a t i o n b yu s i n gm n n s s w e a l s op r e s e n ta l la l g o r i t h mt oc o m b i n em u l t i p l el o c a t i o nd e t e r m i n a t i o n a l g o r i t h m s w i t ht h i sa l g o r i t h m ，w ec a nu t i l i z ev a r i o u si n f o r m a t i o nt h a ti sa b l et ob eu s e di n l o c a t i o ne s t i m a t i n g , a n dw ec a na l s ou t i l i z em u l t i p l ee x p e r i e n t i a ld e t e r m i n a t i o na l g o r i t h m si n i n d o o rp o s i t i o n i n ga n de n h a n c ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y w ea p p r o v et h ea d v a n t a g eo ft h i s c o m b i n e da l g o r i t h mo v e ro n es i n g l ea l g o r i t h mt h r o u g he x p e r i m e n t s hac o n t e x t - a w a r es y s t e m e s p e c i a l l yi nc o n t e x t a w a r es y s t e mt h a th a sap o s i t i o n i n g s y s t e mb a s e do nr e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ( r s s ) ，a no p t i m a la pp l a c e m e n tm e t h o di s s i g n i f i c a n tt op o s i t i o n i n ga c c u r a c y s ow ep r e s e n tb a f o b e i n ga w a yf r o mo b s t a c l e s a l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ea c c e s sp o i n tp l a c e m e n tf o rc o n t e x t a w a r es y s t e m t h em a i ni d e ao f b a f oa l g o r i t h mi sp l a c i n ga p sa w a yf r o mo b s t a c l e s ，a n dm i n i m i z i n gt h ei n f l u e n c eo f o b s t a c l e so nt h es i g n a ls t r e n g t h ，a n dt h e ne n h a n c e st h ed i s t i n c t i o no ft h es i g n a ls t r e n g t h w ea l s od e v e l o p e da n8 0 2 1 1b a s e di n d o o rc o n t e x t a w a r es y s t e mu s e di nh o s p i t a li n s ( i n t e l l i g e n tn u r s es y s t e m ) i nt h i ss y s t e m ，u s e r sc a ns e n dm e s s a g e st oo t h e rp e o p l e ，a n dt h e s e m e s s a g e sw i l lb es e n tt ot h er e c i p i e n t sa tg i v e nt i m ew h e nt h er e c i p i e n t sa r ei np a r t i c u l a r l o c a t i o n w eu t i l i z ef o r e g o i n ga p p r o a c h e si nd e v e l o p i n gt h i ss y s t e m k e yw o r d s ：w l a n ，8 0 2 1 1 ，c o n t e x t a w a r e ，w i r e l e s sl o c a t i o nd e t e r m i n a t i o n ，m u l t i a g e n t m e c h a n i s m 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨兰盘堂 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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：禹曰国 签字日期：7 o 口，7 年f 月f 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡苎盘至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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：禹叫9 签字目期：伽o 年1 月f f 日 导师蓉名：孙谈1 6 签字日期：丑哆年1 月，日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着移动通信技术的迅速发展，特别是基于i e e e8 0 2 1 1 无线网络技术应用的普及， 来自移动用户终端或传感器的各类信息可能具有不同的特征，时变的或非时变的、实时 的或非实时的，精确的或者不完整的，可靠的或不可靠的、相互支持的或互补的等等， 在这种复杂的处境下，如何确保向用户提供适合于当时目标对象、属性、态势、地点、 时间的信息或服务，并据此做出决策和自动提供相应的响应与操作服务，是迫切需要解 决的问题 卜2 。而如何解决这一问题，最好的思路是当前国内外研究的 c o n t e x t a w a r e - 一“处境感知”技术。 “处境感知”是无线网络应用中的一项新技术，其被定义为根据用户位置确定相应 服务的系统，收集附近的人、主机、相关设备的信息以及它们的变化并采取相应处理的 技术。能够用来刻画一个实体的情形( s i t u a t i o n ) 的任何信息都是该实体的处境信息，( 所 谓实体指的是任何与用户和应用之间交互相关的人、位置或对象，包括用户和应用本 身) 处境感知就是感应和使用处境，那么任何使用处境的系统就是处境感知系统。该 技术符合当今世界对于无线网络的智能化以及对信息保密的要求，一个处境知觉的系统 可以按照用户的个性或环境内容来调整行为，具有方便的信息交互处理、存储、传送及 备忘功能 3 - 6 。 无线网络定位是其中一个新兴研究热点。空间中的定位不仅可以帮助使用者辨识方 位，并可以提供使用者所处位置的相关信息。移动设备的定位是处境感知系统建立基础 服务和访问处境数据的关键。定位系统可以应用在室内环境与室外环境。虽然两个系统 的应用目的大同小异，但技术实现上却因为室内环境摆设复杂、精密度要求较高，所以 在实现上相对困难许多。由于目前市场上普及率最高的无线局域网络为i e e e8 0 2 1 l b 标准，利用此标准可有效地降低构建基于无线网络的定位服务的成本，也更有助于推广。 如何以i e e e8 0 2 1 1 b 标准为基础，构建一个完整c o n t e x t - a w a r e 系统架构、如何正 确取得来自各个a p ( a c c e s sp o i n t ) 的信号资料、a p 应要如何摆设以提升系统定位的正确 性、如何降低定位系统的成本、以及收到相关信号资料后如何转换为处境感知信息、如 何确立处境感知的代理机制、如何定义数据格式和协议的规范，以及采用什么样的定位 算法使得定位系统具有高可靠性与低成本特点等等，是本课题研究中的关键 7 - 8 。 解决以上这些问题意义重大，因为诸多依赖于位置信息的c o n t e x t a w a r e 应用系统， 包括城市区域的空间辨识，儿童安全跟踪，室内监控、城市旅游，智能图书馆，智能会 议室，车载系统等诸多应用都可以在不需要过多昂贵的硬件设备( 如g p s ，传感器网络 等) 的情况下在低成本无线网络环境中得以实现和解决。甚至可以说，课题的成功会对 传统的l o c a t i o n a w a g c ( 位置感知) 应用带来颠覆性的变化。这也是各国学者聚焦这一 第一章绪论 领域的重要原因。本课题以进一步完善无线网络应用的知识体系为目的，构建了一个基 于i e e e8 0 2 1 1 标准的医院信息系统，并根据系统中移动设备的定位信息为任何用户提 供无处不在、无时不在的高品质信息服务。其中，定位系统的高可靠性与低成本是本课 题研究中的关键。课题研究可以为c o n t e x t a w a r e 技术未来更进一步的应用研究提供算 法、标准和系统原型，特别是提供基于c o n t e x t a w a r e 技术的无线网络应用开发的模式。 同时，研究成果也可以更为广泛地应用在教育、交通、军事等领域，满足信息时代人们 对信息的快捷方便的获取需求，并由此带动相关产业与服务的发展，提高人们的工作效 率和生活质量。其市场应用前景广阔，经济效益和社会效益显著。 1 2 国内外研究现状及分析 处境感知受到普遍重视是从移动计算普及开始的。在最初阶段，位置信息作为计算 环境中的一个非常重要的信息受到普遍关注。美国哥伦比亚大学的s c h i l i t 在其博士论文 中提出的移动计算系统的处境感知模型是这方面较早的研究 9 。其以 g i s ( g e o - i n f o r m a t i o ns y s t e m ) j 艮务为应用背景，提出了一个分布式处境感知系统模型，其 中每个用户终端通过一个位置智能体( l o c a t i o n a g e n t ) 检测位置，并且通过网络将其传 输给服务器；服务器根据每个用户的位置信息向其提供不同的服务。后续的很多研究继 承了这种通过独立智能体对情境进行检测的思想 1 0 。 早期的研究所关注的情境大多仅限于位置，因此这些模型实质上都是l b s ( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e ) 结构模型，而处境信息所包含的范畴要宽泛的多。任何可能对系统进行 产生影响的因此都属于处境信息的范畴，包括用户的状态、习惯、交互历史，设备的物 理特征，温度、光亮等自然状态和交通、周围人群等社会环境状态。此外，处境广泛的 存在于人机系统的交互过程中，而不仅限于移动计算的模式之中 1 1 - 1 2 。 随着研究的深入，处境感知从简单的位置信息扩展到了更广的范围，种类的增多给 系统对情境感知增加了困难。为此文献 1 3 中提出对情境信息进行预处理，以消除在其 具体数据格式上的差异，突出其所具有的语义信息，并在此基础上提出了c o n t e x t w i d g e t s 的概念。w i d g e t s 实际上是一些专门检测情境信息的智能体，它们针对各种不同 类型的情境信息，按照统一的格式对其进行描述，上层系统可以从中获得语义信息而不 必关注其细节。文献 1 4 中沿用和发展了这种方法，并将其成功的应用于实践。 gc h e n 等人将处境信息进行分类，按照处境信息对系统行为的影响进行划分，将那 些与系统行为密切相关，并且直接决定系统行为是否改变的处境信息被称为主动处境信 息( a c t i v ec o n t e x t ) ：而那些虽与系统相关，但是不能直接改变其行为的称为被动处境信 息( p a s s i v ec o n t e x t ) 。该分类方法实际上说明不同的处境信息对系统具有不同的影响力 1 5 。类似地，d e y 等人在文献 1 6 中从使用级别的角度将处境信息分为两个层次：第 一个层次称为原始层，包含位置、身份、活动和时间四个基本维度，第二个层次称为辅 助层，指的是所有其它的处境信息，这些信息可以由原始层信息生成。n o r b e r t 和r u d i g e r 等人从认知的角度把处境信息分为两类：一类是物理的处境信息，称为c o n t e x t 信息， 指的是直接来源于传感器的信息，普通人难以理解；另一类是逻辑的处境信息，称为 2 第一章绪论 s i t u a t i o n 信息，指的是对物理处境信息进行分析与表达以后生成的符合人们认知习惯的 环境信息或状态信息 1 7 。 支持处境感知的体系结构一直是本领域的一个重点问题，在早期的研究工作中研究 人员分别在各自的项目中提出了自己的支持处境感知的体系结构，但这些结构只能在概 念上进行复用，其他人建造自己的系统时很难利用已有的成果。后来，d e y 等人提出一 个以w i d g e t s 为核心元素的体系结构，并开发了相应的工具c o n t e x t t o o l k i ，这种结构可以 屏蔽传感器的变化对应用的影响，具有良好的复用性，软件人员可以使用这个工具方便 的创建处境敏感应用，但这种结构中的核心元素w i d g e t s 需要进行集中控制才能被应用 所发现，而没有独立于过程实现 1 8 。为此，j a s o ni h o n g 等人又提出一个更加灵活的 客户服务体系结构n g ，将更多的对处境信息的获取与处理作为服务加入到基础设旌 中，而这些服务可以被任何设备和应用使用，从而使传感器、服务、应用的增加与修改 不影响其他部件，t e r r yw i n o g r a d 提出了基于黑板的体系结构，采纳以数据而不是过程 为中心的观点，信息请求并不是直接发送给提供数据的软件组件，而是通过一个共享的 消息黑板来完成 2 0 。 k a l c n h e m i c k s e n 2 1 、b i n h a n t m o n g 2 2 等人在情境获取方面做出了具大的贡 献，提出了一个与处境相关的环境分析模型，以实体一关系为基础描述应用中将会用到 的处境信息之间及处境信息与实体之间的关系，从而方便应用系统的分析与设计。在通 过传感器获取环境信息方面，早期的处境感知系统中传感器采集的信息直接交付应用使 用，后来，在实践中发现传感器得到的原始数据通常是不精确的，上层应用使用这些数 据无法完成预期的目标。因此，近几年这方面的研究重点主要集中于如何对传感器得到 的原始信息进行处理使其满足应用的数据需求，文献 1 8 中提出三种可行的方法；1 、 交给应用；2 、多个传感器数据融合；3 、提供用户接口使用户可以手动调整。文献 2 3 讨论了在w i d g e t s 框架中如何支持用户对不精确信息的处理。文献 2 4 论述了将多个完 成相同功能的传感器所获取的原始数据进行综合处理得到比较精确的处境信息的一种 方法。s a a dl i a q u a t 等人总结了匝e e 8 0 2 1 l b 无线网络中通过信号强度定位用户位置的概 率方法，使用分段的线性高斯法标记地面真实位置的数据与信号强度之间的概率影射关 系，利用不带位置标签的无线信号的顺序获得用户个体的运动模型，从而大大提高定位 的精确度。并且，他们在办公环境实现了该方法 2 4 。 作为普适计算的一个重要领域，处境感知计算面向普适的计算环境，而且处境信息 要共享才能更好的发挥作用。一些研究人员将处境信息的表示和语义统一进行考虑，文 献 2 5 中采用应用本体( a p p l i c a t i o no n t o l o g y ) 来定义处境信息的结构，文献 2 6 对这一 问题做了更加详细的探讨：提出c o c a 模型，将环境中的设备资源变换成概念表示，使 得高层应用能够操作和处理这些设备所获取的信息。将信息表示和系统语义相结合的优 点在于使得经过表达的信息具有语义，并可以采用相应的推理工具根据事先设定的规则 进行推理。在u b i d e v o p 采用p r o i o g 谓词来存储处境信息，采用联邦式的方法对资源和服 务进行管理，并实现基于规则的推理 2 7 3 。在d c y 等人开发的c o n t e x t t o o l k i t 中w i d g e t s 与传感器一一对应，每个传感器获取的数据都被存储在相应的w i d g e t s 中。在h o n g 等人 的c o n f a b 项目中提出了一个抽象信息空间来存储环境中每个实体的处境信息 2 3 。但这 3 第一章绪论 些研究中只考虑了信息的分布特性而没有提到历史数据的保存和更新的方法和策略。 处境信息最终要提供给应用进行使用，i i 前的研究项目中主要由应用来统一管理这 些信息，使得处境信息管理与应用密切相关，过于僵死而不能重用。一个好的办法是把 应用本身和信息管理及表示模型分开，在应用和信息管理之问提供一个逻辑层面的查询 语言作为接口，当然这种查询语言是与处境信息的表示模型是密切相关的。文献 2 8 利 用处境属性表达处境信息，探讨了如何使用处境信息进行服务的查找。文献 2 9 中提出 液化方法( l i q u i d ) ，它承袭了基于客户朋艮务的支持处境感知的体系结构，支持分布的、 连续的处境信息的查询处理。 另外，在分布的、动态的环境中使用处境信息时既要提供共享的手段又要考虑某些 个人隐私的保密，文献 3 0 对这个闯题进行了探讨。前面在介绍处境信息获取时已经提 到对环境进行分析，找出相关实体及其之间关系，如果将其进一步细化，形成在概念层 面对计算环境的描述就是应用的协同模型，这种描述包括处境敏感的实体、实体之间关 系、软件层面的交互管理等，目的在于将底层资源形成面向应用的概念层视图。文献 3 1 提出一个协同模型x c m 和它的一个实例u c m ，它可以描述依赖于处境的行为规则，当 满足规则时会触发一系列的行为。 国内对“c o n t e x t - a w a r e ”技术研究起步较晚，对于处境感知技术的研究也还处于探 索中，目前还没有成熟的、可推广的应用系统，还有很多问题有待于研究的进一步解决。 可喜的是，国内近年来高校科研院所已经开始着手作这方面的研究。 着手较早的有北大计算机岳玮宁等人将处境感知系统的关键问题归纳为合理的处境 信息形成步骤和对其有效的调度策略两个方面，并据此建立了一个具有通用性的处境感 知系统体系结构，该体系结构所述的处境信息的产生机制、调度策略和结构模型较好地 保证了构建过程逻辑上的清晰和较强的模块化，并且能够较为有效地避免因处境变化而 引起的程序行为混乱，提高了系统的智能性 3 2 。同时，作者将该系统应用到旅游导览 方面，开发了t g h 系统，类似的应用还有台湾的吴明远开发的s u p e rt o u r 系统及林志 浩等人的智慧型旅游导览系统 3 3 - 3 4 。而北京邮电大学网络与交换国家重点实验室则 侧重于处境感知技术在通信网中的应用及其关键技术的研究。 清华大学的张德干等人则侧重于普适计算的上层研究，提出了扩展的证据理论方 法，采用可靠性因子评估多源证据觉察处境信息；引入时效函数衡量多源证据的有效性 与时间的关系，并将其组合到信任函数中，描述信任m a s s 的时变规律；利用功率来度 量多源证据觉察处境息间的相关程度，并通过去相关将其转化为相互独立的证据，确保 了普适计算的服务宗旨 3 5 。张德干等人还研究了面向任务的无缝主动迁移算法 3 6 。 分析了算法中包括对无缝主动性的信任度有影响的断点恢复正确率、时延满足率、迁移 失效率、残余依赖率、信任测度等闯题因素，提出了基于a g e n t 的无缝主动迁移算法。 这些研究扩展和完善了经典证据理论提供的方法，弥补了其不足之处，提高了不同应用 场合下服务的质量( o o s ) ，在普适计算方面取得了显著的成效，但在处境信息的获取与 表示框架问题、支持自适应的资源动态配置问题及移动环境的不确定性问题，迁移过程 中的安全性问题等等还需要进一步的研究。 4 第一章绪论 1 3 存在的主要问题 尽管目前出现了很多移动定位方法和c o n t e x t - a w a r e 应用系统，但存在许多不足之 处。而且，无线网络技术本身缺乏统一的标准，其中对无线局域网的研究还有很多可深 入的地方。目前国内外研究中存在的主要问题也是本系统建立和实现中的难点： ( 1 ) 目前已知c o n t e x t - a w a r e 应用中的处境元素数据格式多种多样，如何定义一种 通用的可应用于不同的应用系统的处境元素数据格式，即定义标准的数据格式及协议是 一个亟待解决的问题： ( 2 ) 目前对c o n t e x t - a w a r e 系统中的定位方法的研究以g p s ( 全球定位系统) 居多， 这种方法主要问题是定位精确性相对较低，费用也非常昂贵，应用不方便。c o n t e x t a w a r e 主要依靠分辨移动设备所在的处境感知元素做出相应的服务，而移动设备的位置则是其 中最重要的处境感知元素之一，因此定位系统的设计是我们要解决的关键技术。基于网 络的主要定位技术有：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术、基 于邻近关系的定位技术。由于诸多环境因素的影响，基于网络的定位方式还处于理论研 究阶段，需要进一步试验和完善； ( 3 ) 为了使处境感知系统中各组成部分随时随地可以和系统的数据沟通、接触，应 进行怎样的数据存储也是目前存在的主要问题之一； ( 4 ) 为了能够在多样的应用上提供更具弹性与多样性的查询类型，方便用户搜寻位 置对象数据，处境位置相关对象查询语法需要确定； ( 5 ) 目前无线网络中的安全问题，特别是处境感知系统中应用和数据的安全也是迫 切需要研究和解决的关键问题： ( 6 ) c o n t e x t a w a r e 应用的室内室外自动切换服务，主要解决定位技术的室内与室 外切换问题，这将是c o n t e x t a w a r e 应用未来研究的一个热点，可以采用模糊理论方法 将h a n d - o f f 问题很好的解决； ( 7 ) 与传感器网络相结合的c o n t e x t - a w a r e 应用会随着传感器s e n s o r 功能的扩大和 价格的下降成为未来普适计算和处境感知应用中的主角； ( 8 ) 无线网络中的安全问题与c o n t e x t a w a r e 应用服务安全问题也将一直是研究者 所关注的焦点。 1 4 本文的内容和主要工作 本文的内容是关于无线处境感知系统中相关问题的研究，研究的内容主要集中在以 下几个方面：基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 系统架构、基于8 0 2 1 1 的定位算法的研 究、c o n t e x t a w a r e 系统中a p 位置的合理规划等问题。 本文后面的内容是这样组织的： 在第二章，我们提出了一个基于多代理机制的c o n t e x t - a w a r e 系统架构，在系统架构 的构建中，我们注重整个系统结构的模块化以及各部分的独立性，以增强系统的可扩展 性。 5 第一章绪论 在第三章，我们提出了一个基于8 0 2 1 1 的定位算法m n n s s ，并提出了一个同时整 合多种定位算法，使它们共同应用于位置估计的方法。 第四章我们提出了远离障碍物( b a f o ) a p 摆放算法，探讨在c o n t e x t a w a r e 系统 中如何通过优化a p 摆放算法来提高定位精度。 第五章我们介绍了我们实现的一个基于c o n t e x t a w a r e 技术的医院管理信息系统 i n s 。 第六章我们做出了总结，并指出了我们未来研究的方向。 6 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 系统架构 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 系统架构 2 。1 基于多代理机制的处境感知系统的基本架构 近年来，已经陆续提出了很多处境感知技术和基于这些技术的应用。随着无线网络 和普适计算环境的发展，用户开始能够进一步通过网络来利用各种不同的设备得到他们 需要的数据和服务。在这种环境下，用户往往想要得到最适用于他们当前处境的信息服 务。处境感知计算就是系统可以根据当前随时变化的环境来提供不同服务的能力。 在构建处境感知系统时，越来越多的人开始使用多代理结构使得整个系统便于扩展， 易于管理。在我们的研究中，我们提供了一种基于多代理机制的处境感知系统架构。整 个架构中包括一个处境收集代理c c a ( c o n t e x tc o l l e c t i n ga g e n t ) ，一个处境推理代理 c r a ( c o n t e x tr e a s o n i n ga g e n t ) ，以及一个信息处理代理i p a ( i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a g e n t ) 。在不同的系统中，这些代理所起到的重要性也有所不同。有时，用户认为他们 当前正在使用的系统工作的很好，并且他们不想把它们抛弃掉，而重新采用一个新的处 境感知系统。因此，它们往往只想给原来的系统赋予新的处境感知计算能力。这种架构 也同样适用于这种情况。 一个处境感知系统可以自动收集普适计算环境中关于用户的各种数据，并且能够自 动根据这些数据辨识出用户当前的处境信息。图2 1 显示了基于多代理机制的处境感知 系统的基本架构。这个架构包含以下几个部分：处境收集代理，处境推理代理，以及信 息处理代理 图2 - 1 基于多代理机制的处境感知系统的基本架构 第二章基于多代理机制的c o n t e x t a w a r e 系统架构 处境收集代理首先收集有关当前用户的各种事件信息，这信息可以通过各种不同的 设备得到，例如蜂窝电话、g p s 接收器、打印机、家用电器以及其它一些我们在日常生 活中可能用的设备。接着，处境收集代理将这些信息提供给位于服务器的处境推理代理。 处境推理代理中存在一个用户配置文件，这个文件定义了对于不同的处境要执行什 么样的命令。在接收到实时的事件信息后，处境推理代理自动生成相应的命令并把它发 送给信息处理代理。 信息处理代理把这些命令转换成实际的行动。在某些系统中，这个代理可能非常简单， 它的功能也许只是把一些信息发送到用户界面上。但是在其它的系统中，例如一个企业 的信息系统，这一部分可能非常复杂。 2 2 处境收集代理( c c a ) 处境收集代理c c a 可以根据不同的情况或者作为一个功能组件配置在移动终端 p d a 上，也可以配置在一个位置固定的计算机上。 一个移动的c c a 通常适用于这种情况，即用于收集数据的各种设备相互之间间隔 很远。当我们使用一个购物助理系统时该系统可以根据家里物品的存量信息，用户 当前的位置信息，以及商品的价格信息来帮助我们判断应该购买什么样的商品，显然， 我们很难把c c a 放在家里来收集超市的信息。因此，一个移动的c c a 是一个更佳的选 择。 一个固定的c c a 通常适用于这种情况，即所有的系统都配置在一个有限的空间内， 例如医院、学校、公司大楼内。这个系统往往是一个多用户的系统，并且一般存在一个 网络来连接所有的设备，从而使得使用一个固定的c c a 收集信息成为可能。这种集中 的c c a 也同样有利于对所有的用户共享处境信息。 可以收集处境信息的设备多种多样。在一个购物助理系统中，我们需要物品的存量 信息，位置信息和价格信息。我们可以使用一个智能家居系统来得到冰箱里的物品存量 信息，或者可以直接将存量信息手工输入到p d a 里；我们可以使用配有g p s 接收器的 蜂窝电话来得到位置信息；价格信息也可以通过超市里的p o s 机得到。所有的这些装 置都基于不同的技术，并且提供了不同形式的数据。存量信息可能是剩余食品的数量， 或者是冰箱的剩余空间；位置信息可能是当前用户所在的经纬度；价格信息可能是一些 打折商品信息。所有关于当前用户的不同种类的信息必须被整理成具有明确意义的格 式，并且能够用于处境推理的计算。例如，经纬度可以准确勾勒出当前用户的位置，但 是这个信息对于处境推理并不是很适用。因此我们必须根据经纬度确定出当前用户到底 位于哪一个超市中，从而用超市的名字或编号来代替经纬度作为位置信息的表示。图2 2 显示了在购物助理系统中如何收集处境信息并将它发送给处境推理代理。 第二章基于多代理机制的c o n t e x t - a w a r e 系统架构 图2 - 2 在购物助理系统中收集处境信息。 2 3 处境推理代理( c r 砧 和c c a 一样，c r a 也既可以是移动的。在这个代理中，需要定义一个用户配置文 件，它描述了对于不同的处境应该采取什么样的行动。 配置文件的格式如下： 行为1 条饽 行为2 条件 行为n 条件 这些行为仅仅是一些简单的命令，它们将被发送给信息处理代理。每一个条件是一 个可能触发一个行为的处境，这个处境包含了不同设备的状态信息。有时，设备之阃的 关系可能非常复杂，我们必须用一种有效的条件表示方式，使得用户可以很容易的定义 复杂条件。因此我们使用s q l 语句的一部分来表示每一个处境。这样我们就可以使用 a n d ，o r ，b e t w e e n ， ，以及其它关键字来构建复杂条件。为了实现这个目标，我们需 要一个设备配置文件来记录所有的设备和它们收集到的数据。设备配置文件的格式如 下： 设冬1 数据类型数据值 设备2 数据类型数据值 设备数据类型数据值 当设备检测到当前处境的任何变化，c c a 将这个变化提交给c r a 。c r a 将查询和 用户配置文件中和这个设备相关的所有记录，并使用s q l 语法和设备配置文件分析条 件，判断这个变化是否会触发特定的行动。如果没有一条记录满足条件，c r a 将更新 设备配置文件中的数值。如果找到满足条件的记录，c r a 同时还需要将这条记录中的 行为命令发送给信息处理代理。图2 3 显示了c r a 的处理过程。 9 第二章基于多代理机制的c o n t e x t - a w a r e 系统架构 e c o n t e x t 日 j 蛐删i o n p r o c e s s i n g a g e n i l l c 。一 lr 。e 。l e 嘶v a n t 匿 慨乡 c h a l l g eo f c o n t e x t c o n t e x tc o l l e c t i n g a g e n t 2 4 信息处理代理( i p a ) 图2 - 3c r a 的处理过程 i p a 将命令翻译整具体的行为。在一个购物助理系统中，这个代理的功能仅仅是发 送信息到用户界面，并通知用户购买不同的商品。但是在一个公司、医院或学校的信息 系统中，i p a 通常是一个重要的部分。 以医院为例，一个医院通常有一个医院信息系统，并且它们大多不具有处境感知能 力。当人们开始认识到处境感知系统的优势，它们希望给它们的现有系统加上处境感知 的能力。但是在大多数情况，他们不希望把他们的系统做太大的变动。即使当他们想构 建一个全新的处境感知系统，把处境感知代理部分和整个系统分隔开也有利于系统的扩 展和管理。 i p a 是处境感知代理和医院信息系统之间联系的接口。通过i p a ，c r a 不需要知道 医院信息系统是如何运作的。它只需发送命令到i p a ，i p a 将处理所有的实际工作。 在医院信息系统中，i p a 要做的工作可能多种多样。它可以通知用户接下来要傲什 么工作，或者给其它用户发信息，或者发送文件到打印机。但是在大多数情况，i p a 是 通过修改医院信息系统数据库中的数值来参与到医院的实际工作中来的。例如，当一个 病人离开医院使得一个病床成为空床时，i p a 将存储在数据库中的病床状态设为空床。 这个变化将迅速被医院信息系统检测到，并且将采取相关的行动例如通知护士将一个新 病人安排到这个房间中。 1 0 第三章基于8 0 2 1 1 的定位算法研究 3 1 定位算法概述 第三章基于8 0 2 1 1 的定位算法研究 1 9 9 6 年美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布了e _ 9 1 1 法规，规定了移动通信必须提供 无线定位服务，并提出了对定位精度的要求。并在1 9 9 9 年修订了该法规，对定位精度提 出新的要求。欧洲同样也提出了相应的e 1 1 2 规定，规定提供定位服务应为移动通信网络 的基本功能之一。这些规定大大推动了移动通信网络无线定位技术的发展。不只在通信 领域，无线定位技术还可以应用于城市交通导引，车辆跟踪调度，移动终端盗打防范， 移动网络管理，处境知觉等系统。目前，无线定位已经成为计算机科学中最为热门的技 术之一。 到目前为止，已经有了很多基于无线定位的系统，这些系统应用的范围和使用的技 术都有很大的不同。 g p s 3 7 是众所周知的定位系统。这种利用卫星进行定位的系统都有一些共同的缺 点，就是定位精度不高，并且只是用于室外定位，而且需要没有障碍的传播路径。另外 一个室外定位应用是蜂窝系统，也存在类似的缺点，即精度不高，受障碍物影响较大。 一个著名的室内定位系统叫做活动徽章 3 ，它是一种基于红外线定位的系统。但 是由于红外线直线传播的特性，易受障碍物影响。并且红外线传播的距离很短，因此限 制了它在实际中的应用。另外就是称为r a d a r 3 8 的基于8 0 2 1 1 的定位系统，这种系 统是基于信号强度进行定位的，它配置简便，并能以5 0 9 6 的概率提供准确率范围在3 米以 内的定位。还有两个基于超声波的定位，板球定位支持系统 3 9 和活动蝙蝠定位系统 4 0 ，这两个系统都能够提供相当高的准确度，但是成本很高。 不同的技术的成本和定位精度不同，但是相对而言，到目前为止还没有能被不同用 户使用，而又能提供相当精确度的系统。因此，在定位设备和定位方法上的研究上还需 要我们进行不断的努力。 从定位策略的角度来看，定