基于WLAN的移动终端无线定位技术研究---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

郑州大学 硕士学位论文 基于wlan的移动终端无线定位技术研究 姓名 王珂 申请学位级别 硕士 专业 信号与信息处理 指导教师 张元 20070501 郑州大学硕士学位论文 摘要 本论文作为子课题 获得了国家自然科学基金项目 n o 6 0 6 7 3 1 0 8 资助 近年来随着无线局域网 w l a n 的兴起 其作为宽带接入方案与3 g 互补融 合的发展态势 以及支持w l a n 的移动终端的普及 基于w l a n 的无线定位技术也 引起了国内外学者的广泛关注 目前 美国n e wb u r yn e t w o r k s 等公司已经研究 开发出了应用无线局域网定位技术的产品 人们对w l a n 中定位服务的需求 将 会促使基于w l a n 的无线定位技术快速发展 应用 本文主要研究了基于w l a n 的移动终端无线定位技术的实现方法和遇到的有 关问题的解决方法 本文根据无线定位技术的发展趋势 w l a n 系统的特点以及 定位技术的优缺点比较 选择t d o a 定位技术作为定位方法 重点对无线定位算 法和抑制n l o s 误差的方法进行了研究 同时也对诸如g d o p 等相关问题进行了探 讨 并对有关算法进行了仿真分析 本文中提出了一些新的想法 并对其进行了 仿真分析 获得了有益的改进 最后 总结了课题的研究工作 展望了未来的研 究发展方向 关键词 l r l a n 无线定位 t d o a 方法 抑制n l o s 误差 g d o p 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sas u b t o p i c t h a th a sa c q u i r e df i n a n c i a la i do ft h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n di t e m n o 6 0 6 7 3 1 0 8 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w l a n i nr e c e n t y e a r s i ta saw a yt oc o n n e c ti n t ow i d eb r e a d t hc o m u n i c a t i o nh a ss h o w n d e v e l o p m e n ts i t u a t i o nt h a tf u s i n gw i t h3 g a n dw i t hw l a nt e r m i n a l s p o p u l a r i t y t h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s sl o c a t i o nb a s e do nw l a na l s oh a s a t t r a c t e de x t e n s i v ec o n c e r no ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r s c u r r e n t i y t h ea m e r i c a nn e wb u r yn e t w o r k sc o m p a n ye t c h a v ea l r e a d y s t u d i e da n dd e v e l o p e dt h ep r o d u c t sa p p l y i n gw l a nw i r e l e s sl o c a t i o n p e o p l e n e e do fw l a nl o c a t i o ns e r v i c e w i l lp r o m o t ef a s td e v e l o p m e n ta n d a p p l y i n go fw i r e l e s sl o c a t i o nb a s e do n l a n t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h em e t h o dt oc a r r yo u ta n dt h er e s o l v i n g m e t h o df o rr e l e v a n tp r o b l e m si nt h et e c h n o l o g yo f w i r e l e s sl o c a ti o nb a s e d o i lw e a n t h i st h e s i sc o n s i d e r st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fw i r e l e s s l o c a t i o na n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw l a ns y s t e ma n dc o m p a r i s o n a c c o r d i n gt om e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n o l o g y c h o o s i n gt h et d o al o c a t i o nt e c h n o l o g ya sl o c a t i o nm e t h o d t h ek e y r e s e a r c h sa r et h ea l g o r i t h mo fw i r e l e s s l o c a t i o na n dt h em e t h o do f r e s t r a i n i n gn l o se r r o r a tt h es a m et i m et h i st h e s i sa l s oi n q u i r e st h e r e l a t e dp r o b l e m ss u c ha sg d o pa n ds oo n a n dm a k e sa n a l y s i st ot h er e l a t e d a l g o r i t h mb ys i m u l a t i o n s o m en e wi d e a sa r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s a n d m a k i n ga n a l y s i st ot h e mb ys i m u l a t i o n t h a tg a i n sb e n e f i c i a l i m p r o v e m e n t i nt h ee n d t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r k a n dl o o k s i n t ot h ef u t u r er e s e a r c hd e v e l o p m e n td i r e c t i o n k e y w o r d s w l a n w i r e l e s sl o c a t i o n m e t h o do ft d o a r e s t r a i nn l o se r r o r g d o p 郑州大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 无线定位技术是一种古老而又年轻的技术 传统的定位技术和导航是密不可 分的 定位通常是指确定地球表面某物体在某一参考坐标系中的位置 导航则是 指引导交通工具或其它物体从一个位置移动到另一个位置的过程 这一过程需要 精确的定位结果 国际上对无线定位技术的研究与应用始于2 0 世纪6 0 年代的自动车辆定位 a v l 系统 随后该项技术在公共交通管理 货物运输 出租车管理 犯罪跟 踪和紧急医疗服务等有限的范围内得到了应用 上世纪末以来 随着移动通信系 统的飞速发展以及智能交通运输系统 i t s 的需求 人们对无线定位技术也有 了新的要求 从而促使更多的研究者投入到这个领域的研究中来 美国联邦通信 委员会 f c c 于1 9 9 6 年颁布了e 一9 1 1 e m e r g e n c yc a l l9 1 1 定位需求 要求在 2 0 0 1 年1 0 月1 日前 各种蜂窝网络必须能对发出e 一9 1 1 紧急呼叫的移动台以不低于 6 7 的概率提供精度在1 2 5 m 以内的定位服务 在2 0 0 1 年以后 系统必须提供更高 的定位精度以及三维位置信息 1 2 f c c 的强制性要求和潜在的巨大市场需求 推 动了技术的快速发展 使得国内外开始出现了无线定位技术的研究热潮 目前 无线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 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 1 推算定位是一种相对于一个参考点 借助地图匹配算法确定移动目标位置的技 术 适用于对运动目标的连续定位 2 接近式定位又叫信标 s i g n p o s t 或b e a c o n 定位 运动目标的位置通过与之最 靠近的固定参考检测点来估计确定 3 无线电定位又可分为卫星无线定位和地面无线定位 2 3 卫星无线定位利用 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 无线电定位则通过测量无线电波从发射机到接收机的传播时间 时间差 信号场 强 相位或入射角等参数来实施目标移动终端的二维定位 目前 常见的无线定位系统主要有四种 4 基于卫星的定位系统 基于公共 郑州大学硕士学位论文 移动通信系统的定位系统 基于传感器的专用定位系统和基于无线局域网的定位 系统 对于前三种定位系统的研究开展锝较早 应用技术也相对成熟 然而近年 来随着无线局域网 w l a n 的兴起 其作为宽带接入方案与3 g 互补融合的发展 态势 以及支持w l a n 的移动终端的普及 基于w l a n 的无线定位技术也引起了国 内外学者的广泛关注 无线局域网起初虽不是专为定位而设计的 但是其已经被 成功应用于室内定位 例如 医院内的设备或特殊病人的跟踪 根据无线局域网 类型的不同 多种定位技术可以使用 无线局域网的定位服务很适用于小范围特 定区域的移动定位需要 本文主要研究的即是基于w l a n 的移动终端无线定位技 术 1 2 无线定位技术概述 无线定位技术的基本原理是 目标移动终端或者多个己知坐标位置的固定基 站发送定位信号 通过对定位信号的测量 获得帽应定位参数的估计后 利用合 适的处理方法 就能获得移动终端在空间的位置 1 2 1 无线定位技术的分类 根据进行定位估计的位置的不同 通常可以将无线定位方案分为基于移动终 端的定位和基于网络的定位 4 1 基于移动终端的定位 基于移动终端 m s 的定位也称为下行链路定位 是m s 利用来自基站的信号 计算出自己的位置 m s 根据自己接收到的多个已知位置基站发射信号携带的与m s 位置有关的特征信息来确定其与各基站之间的几何位置关系 再由集成在m s 中的 位置计算功能 p c f 根据有关定位算法对m s 自己进行定位估计 2 基于网络的定位 利用m s 传来的信号 计算出m s 位置的定位称为基于网络的定位 也称为上行 链路定位系统 其定位过程是由多个基站同时检测m s 发射的信号 并对该信号携 带的与m s 位置有关的特征信息进行测量 并把这些信息送到网络中的移动定位中 心 m l c 进行处理 由集成在m l c 中的p c f 计算出m s 的估计位置 基于网络的定位方案需要在网络中增加定位服务 l c s 模块 专门设置移 2 郑州大学硕上学位论文 动定位中心 m i x i s 而至今在w l a n 中尚缺乏这方面的技术标准 而基于移动 终端的定位方案 通常具有定位精度更高 实时性较好的优点 所以本文所采用 的即为基于m s 的定位方案 1 2 2 基本的无线定位技术 无线定位是通过检测某种信号的特征测量值实现对m s 的定位估计 根据测量 参数的不同 可将现有的定位技术 6 分为 场强定位技术 s s o a 基于电波入 射角的定位技术 a o a 基于电波到达时间的定位技术 t o a 基于电波到达 时间差的定位技术 t d o a 及混合定位技术 1 场强定位技术 场强定位 s s o a s i g n a ls t r e n g t ho fa r r i v a l 是传统的定位方法 系统 易于实现 基于到达信号强度就是通过测量信号的衰减程度来估计m s 和多个基站 之间的距离 然后通过求解多个位置测量结果的交集就可以得到m s 的位置 在几 何原理上 该距离方程表现为以测量位置为中心的圆 多个测量对应多个这样的 圆 各个圆的交点即为m s 的位置坐标 故场强定位法属于圆周定位法 2 基于电波入射角的定位技术 基于电波入射角的定位技术 2 称a o a a n g l eo fa r r i v a l 也可称为d o a d i r e c t i o no fa r r i v a l 此技术已广泛用于测量 雷达追踪和车辆导航系统 中 到达角 a o a 法是假定基站可以测量s m s 发射信号到达基站的角度 如果 m s 和基站是处于视距范围 则a o a 定位方法可以采用 在实际应用中 到达角估 计需要方向角分辨率较高的方向性天线 因此 a o a 定位技术通常无法在移动终 端一侧实现 a o a 定位技术要求在两个以上的基站采用方向性天线或者阵列天线 获得同一个信号源发射的无线电波信号的角度信息 然后采用方向线交汇的方法 获得信号源的二维或三维位置估计 当移动通信网络只考虑二维空间定位的情况 时 确定狐位置至少需要两个基站 b s 3 基于电波到达时间的定位技术 基于电波到达时间的定位技术 t o a t i m eo fa r r i v a l 也属于圆周定位 其原理为 电磁波在空间以光速传播 m s 与接收基站问的距离正比于其间的传播 时间 该定位方法就是根据m s 所发出的信号到达不同基站的时间延迟 计算出m s 郑州大学硕士学位论文 与各基站之间的距离 设 l s 与基站间电波的传播时问为t 则m s 与接收基站间的 距离r 为r c t 式中c 为光速 由此可知m s 在以接收基站为圆心 r 为半径的圆上 在基站位置己知的情况下 通过建立位置方程 即可求解m s 位置的坐标 当只考 虑二维空间定位的情况时 确定l i s 位置至少需要三个基站 三个基站可得三个圆 三个圆交汇于一点即可确定m s 的位置 这就是圆周定位法 也叫t o a 三边定位法 其定位原理如图1 1 所示 设m s 发射信号的时刻为t 第i 个b s 收到该信号的时刻为t l i l 2 3 若己 知第i 个b s 的坐标为 薯 y i 待定位的m s 坐标为 工 y 根据图1 1 所示 可建立以下3 个方程 石一而 2 y y i 2 c t i f 1 1 一而 2 y y 2 2 c t 2 t 1 2 x 一毛 2 o 一乃 2 c t 3 一f 1 3 求解方程 1 1 1 2 1 3 的解为 j y t m s 位置坐标为 工 y t o a 定位技术要求3 个b s 在时间上精确同步 可用g p s 对基站来精确定时 另外发 射信号必须携带时间标签 这样基站接收机才能测量信号传播所用时间 在实际 应用中 由于多径干扰 噪声干扰 周围地形及建筑物等的影响 3 个b s 所确定 的三个圆并不相交于一点 而是一个区域 这就增加了算法的复杂度 因此 在 实际应用中更普遍使用的是到达时间差定位技术 t d o a 图1 1t o a 定位原理示意图 4 郑州大学硕士学位论文 4 基于到达时间差的定位技术 基于到达时间差的定位技术 t d o a t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l 又称双 曲线定位嘲 它是利用双曲线上任一点到两定点的距离差为定值的原理来实现 的 t d o a 是通过检测电波到达两个接收机的时间差 而不是绝对到达时间来确定 骼的位置 t d o a 定位技术确定的m s 位置将位于以两个接收 或发射 基站为焦点 的双曲线的某一分支上 确定m s 的二维坐标需要两个或以上双曲线方程 两个双 曲线的交点即为m s 的二维位置坐标 因此确定m s 位置最少需要3 个基站 在特定 情况下 可能两个双曲线会交于两点 但利用一些先验知识 如小区半径等 可 消除模糊度 其定位原理如图1 2 所示 将t o a 定位中的方程 1 1 1 2 1 3 稍加整理可得 工一而 2 o 一y 2 一 j 一 2 y y i 2 c f 2 一f i 1 4 x 一而 2 y y 一 x 一而 2 y y 1 2 c 6 1 5 求解方程 1 4 1 5 可得解为 x y 即m s 的位置坐标为 x y 对于t d o a 定位技术 一个重要的问题是怎样取得基站同步 采用下行链路t d o a 定位方法时 基站是发信端 定位信号离开每个基站的时间必须相同或时差己知 否则会产生偏差 当采用上行链路t d o a 定位技术时 基站是接收端 m s 发出的信 号被若干基站侦听 所有这些基站的时钟必须有确定的时间关系 t d o a 定位技术 是目前无线定位中重点研究和采用的方法 本文也主要采用t d o a 定位技术 5 混合定位技术 图1 2t d o a 定位原理示意图 郑州大学硕士学位论文 混合定位技术 1 3 1 是利用上述两种或多种不同类型的信号特征测量值 如 t o a a o a t d o a a o a t o a t d o a 进行定位估计 如t o a a o a t o a 确定一个圆 a o a 确定一条直线 直线与圆的交点即为m s 的位置 只需一个基站就可完成定位 通 过对上述定位方法的分析比较 可知s s o 定位技术比较简单 但由于受多径衰落 和阴影效应等因素影响 使得其定位精度较差 a o a 定位技术虽有一定的精度 但要求接收机具有高精度的智能天线阵列 系统设备复杂 且只能上行链路定位 t o a 和t d o a 定位技术实现相对容易 也能达到较高精度 因此这两种方法 特别 是t d o a 定位法 受到了更多的重视 混合定位则能吸取不同定位方法的优点 但 需提供不同的信号特征测量值 1 3 研究与应用现状 w l a n 主要有三类应用方式 7 1 即w l a n 接入 网络无线互联和定位 前两类应 用已经比较普遍 而w l a n 定位应用是近两年才发展起来的 是与无线广域网的定 位类似的一种应用方式 w l a n 定位不仅可以单独应用 而且可以将其与其它应用 结合起来 进一步促进w l a n 的应用 无线局域网非常适合室内定位和追踪 能够应用在不同场合 例如商场 医 院 博物馆 飞机场等 w l a n 定位也可以应用在很多方面 在技术方面 用户位 置结合用户文件可以大大地帮助进行网络规划 负载平衡 捕获最靠近用户的信 息 也可以用于无线电资源管理和设计其它提高性能的方法 还可用于基于位置 的路由和越区切换 在商业上用于找出所需的物品和人 也可用于基于特定位置 的广告和服务 在军事上可用于分配和定位士兵 由于w l a n 定位市场前景很好 众多学者和商家都予以关注 目前 以下几个公司都已研究开发出了应用w l h n 定位技术的产品嘲 美国n e wb u r yn e t w o r k s 公司从事的是一种可以把定位搜寻和接入控制结合 起来的技术 也就是说 n e wb u r y 公司开发的软件能够在w i f i i e e e 8 0 2 1 l b 网络上搜寻无线设备的位置 然后根据定位结果可以开通或关闭相应服务 无须 用户安装新软件或硬件 n e wb u r y 公司拥有的技术即可对用户和已知接入点间的 相对位置进行三角定位 n e wb u r y 的软件是通过处理预设接入点传来的信号强度 和即时信息来定位的 6 郑州大学硕士学位论文 芬兰e k a h a u 公司在使用i e e e 8 0 2 1 l b 的w e a n 环境下 开发了一种可运用接收 信号强度指示 r s s i 进行位置检测的系统 该系统采用3 个基站 最小误差仅 为1 m 无须使用专用基站 安装软件便可实现位置检测功能 该系统还可以在 i e e e 8 0 2 1 l a g 或b l u e t o o t h 甚至h i p e r l a n 2 的w l a n 系统中使用 日本日立公司开发的无线局域网定位系统是以i e e e 8 0 2 1 1 b 的1 r l a n 移动终端 为对象的位置检测系统 该系统可通过专用w l a n 基站检测支持i e e e 8 0 2 1 l b 的p d a 及笔记本电脑的位置 误差范围只有l m 3 m 但检测对象必须安装相应的软硬件 在位置的检测上 采用t d o a 到达时间差 检测 就是基于多个基站与移动终端 间距离差的三边测量法 自e 9 1 1 定位要求 9 颁布以来 无线定位技术在国外受到了高度的重视和深 入的研究 近年来在i e e e 的有关期刊和会议上发表了大量的研究论文 也出现了 不少的发明专利以及一些专门从事无线定位技术的公司 目前 这些研究主要涉 及定位方法和技术 定位算法 到达时间 到达时间差 t o a t d o a 检测技术 抗非视距 n l o s 传播 多径传播和多址干扰 数据融合技术 定位技术实施方 案以及定位系统性能评价指标等内容 f c c 颁布的e 一9 1 1 强制要求虽然是针对蜂窝移动通信系统提出的 但其所引领 的地面无线定位的研究和发展趋势却深深地影响着其它无线定位系统的发展 w l a n 无线定位中所采用的很多方法就是源于或借鉴了其研究成果 1 4 本文的主要研究内容及安排 随着w l a n 的普及和广泛应用 人们对w l a n 中定位服务的需求将会快速发展 本文是在充分借鉴蜂窝移动通信中无线定位技术研究成果的基础上 结合w l a n 自身的技术特点 主要研究在w i a n 中基于移动终端 采用t d o a 定位技术实现较高 精度的无线定位 并对关键性的问题进行探讨解决 具体的内容安排如下 第一章 绪论 主要介绍无线定位技术的起源 发展 常见的无线定位方法 和系统 无线定位技术的分类和基本的无线定位技术 w l a n 无线定位的研究和应 用现状等 第二章 w l a n 中相关技术概述 主要介绍w l a n 原理 组成和拓扑结构 w l a n 的主要协议标准 w l a n 的无线定位服务 w l a n 中的定时同步功能等 郑州大学硕士学位论文 第三章 移动通信信道与无线定位误差 主要包括移动通信信道对定位性能 的影响 影响无线定位精度的主要原因 定位准确率的评价指标 几何精度因子 g d o p 对定位精度的影响等 第四章 基本t d o a 无线定位算法的性能分析 主要包括定位问题的最小二乘 表示 t d o a 双曲线的数学模型 泰勒序列展开法 c h a n 算法 各类定位算法的性 能比较等 第五章 n l o s 误差的鉴别与抑制 主要包括n l o s 环境下t o a t d o a 误差分析 n l o s 误差的鉴别 n l o s 误差的抑制 一种基于c h a n 算法的变型的残差加权算法 削弱g d o p 对定位精度的影响 一种基于n l o s 误差排序的定位精度提高方法等 第六章 总结与展望 对本文的研究工作进行总结 继而展望了未来的研究 方向和发展趋势 郑州大学硕士学位论文 第二章v v l a n 中相关技术概述 2 1w l a n 的原理 无线局域网 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w l a n 是现代计算机网络与 无线通信技术相结合的产物 是十分方便的数据传输系统 它是在局部区域内以 无线媒体或介质进行通信的无线网络 传输媒介有无线电波和红外线 w l a n 系统由无线网络适配器和转发器两部分组成1 7 1 1 0 l 无线网络适配器固定 在计算机扩展槽中 利用天线发送信息 而转发器则接收发送信息 通过一条输 出线连接用户计算机和公共网络 国际标准i e e e 8 0 2 1 1 定义了w l a n 的物理层和 m a c 子层 其物理层可采用窄带微波技术 扩频通信技术及红外线技术 其中扩 频通信技术应用最广 主要工作在i s m 开放频段 没有使用授权的限制 其基本 特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码对载有信息数据的基带 信号的频谱进行扩展 形成宽带的低功率谱密度的信号来发射 扩频通信技术在 发射端以扩频编码进行扩频调制 在接收端以相关解调技术接收信号 其具有抗 干扰性强 隐蔽性强 易于实现码分多址 抗多径干扰等优点 实现扩频通信的基本工作方式通常有直接序列扩频 d s s s 方式和跳频扩频 f h s s 方式 直接序列扩频是直接利用具有高码率的扩频序列 同一网络中的用户使用同 一扩频码 通过调制方式在发射端扩展信号的频谱 而在接收端用相同的扩频码 序列去进行解码 把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息 标准支持2 4 g h z 频段 内1 4 个信道 每一信道拥有约2 2 m h z 的带宽 跳频扩频即载波频率在一个编码序列控制下产生的频带内离散地跳变 跳频 信号可看成是载波频率按随机图样跳变的已调脉冲序列 载频的跳交是在一个包 1 含许多信道的频带上发生的 每个信道都占有一定的频谱区域 其带宽足以容纳 相应载波脉冲的大部分功率 标准提供2 2 种跳频图样可供选择 跳频间隔为至少 每秒2 5 跳 规定在整个频段内覆盖7 9 个信道 每一信道占有约i m h z 带宽 9 郑州大学硕士学位论文 2 2w l a n 的组成和拓扑结构 w l a n 的物理组成1 7 l 如图2 1 所示 具体的组成方式如下 a s t a w l a n 的最基本的单元是站 s t a t i o n 也称主机或终端 是由终端设备 无线网络接口 网络软件组成的 b b s a 由站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域称为基本服务区 b a s i cs e r v i c ea r e a b s a 也通常称为小区 c e l l 它是构成w l a n 的最 小单元 在一个b s a 内彼此联系 相互通信的一组主机组成了一个基本业务组 b a s i cs e r v i c es e t b s s c 无线介质 无线介质 w i r e l e s sm e d i u m w m 是w l a n 中站与站之间 站与 接入点之间通信的传输介质 在这里指的是空气 它是无线电波和红外线传播的 良好介质 d a p 无线接入点 a c c e s sp o i n t a p 简称接入点 它类似于蜂窝网结构中 的基站 是w l a n 的重要组成单元 无线接入点是一种特殊的站 它通常处于b s a 的中心 固定不动 其基本功能有 1 作为接入点 完成其它非a p 的站对分布式系统的访问和同一b s s 中的不同站 间的通信联结 2 作为b s s 的控制中心 完成对其它非a p 的站的控制和管理 3 作为无线网络和分布式系统的桥接点 完成无线局域网与分布式系统之间 的桥接功能 e d s 因为一个b s a 能覆盖的区域有限 为了覆盖更大的区域 我们需要把多 个b s a 通过分布式系统 d i s t r i b u t i o ns y s t e m d s 连接起来 形成一个扩展 业务区 e x t e n d e ds e r v i c ea r e a e s a d s 中a p 的连接可以是有线连接也可 以是无线连接 b s s 是w l a n 的基本构造模块 它有两种基本拓扑结构或组网方式 分别是 分布对等式拓扑和基础结构集中式拓扑阴 1 0 郑州大学硕士学位论文 无缭介晨 图2 11 l r l a n 的物理组成示意图 1 分布对等式拓扑 分布对等式网络是一种独立的 i n d e p e n d e n t 的b s s i b s s 它至少有两 个站 它是一种典型的 以自发方式构成的单区网 在可以直接通信的范围内 i b s s 中任意站之间可直接通信而无需a p 转接 由于没有a p 站之间的关系是对等 的 p e e rt op e e r 分布式的或无中心的 由于i b s s 网络不需要预先计划 随 时需要随时构建 因此该工作模式被称作自组织网络 a dh o cn e t w o r k 采用 这种拓扑结构的网络 各站点竞争公用信道 当站点数过多时 信道竞争成为限 制网络性能的要害 因此 比较适合于小规模 小范围的w l a n 系统 2 基础结构集中式拓扑 在w l a n 中 基础结构包括分布式系统媒体 d s m a p 和端口实体 一个基 础结构除d s 外 还包含一个或多个a p 及零个或多个端口 因此 在基础结构w l a n 中 至少要有一个a p a p 是b s s 的中心控制站 网中的站在该中心站的控制下与 其它站进行通信 在一个基础结构b s s 中 如果一个站要想与同一b s s 内的另一个 站通信 必须经过源站到a p 和a p 到宿站的两跳过程并由a p 进行转接 与i b s s 相比 基础结构具有通信距离更大 网络的吞吐性能更好 a p 还可以很方便地对b s s 内 的站点进行同步管理 移动管理等优点 所以本文研究的w l a n 无线定位技术就是 基于基础结构集中式拓扑的 郑州大学硕士学位论文 2 3w l a n 的主要协议标准简介 无线局域网的研究从8 0 年代开始 到9 0 年代末趋于白热化 国际上出现了多 种礼a n 标准 如i e e e 的8 0 2 i i 家族 由爱立信 诺基亚等五家公司推出的蓝牙 b l u e t o o t h 技术以及家庭网络的h o m er f 等 表2 1 列出了几种主要的w l a n 标 准的性能对比 1 0 l 1 1 1 2 1 i e e e s 0 2 1 1 是1 9 9 7 年i e e e 最初制定的一个无线局域网标准 主要用于解决办 公室局域网和校园网中 用户与用户终端的无线接入 业务主要限于数据存取 速率最高只能达至l j 2 m b p s 由于8 0 2 1 l 在速率和传输距离上都不能满足人们的需 要 因此i e e e 4 x 组又相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个新标准 i e e e 8 0 2 1 l b 又称w i f i 物理层支持5 5 m b p s 和1 i m b p s 两个新速率 8 0 2 1 1 标准在扩频时是一个1 l 位调制芯片 而8 0 2 1 1 b 标准采用一种新的调制技术c c k 补偿编码键控 完成 8 0 2 1 l b 使用动态速率漂移 可因环境变化 在1 i m b p s 5 5 m b p s 2 m b p s 1 m b p s 之间切换 且在2 m b p s l m b p s 速率时与8 0 2 1 1 兼容 8 0 2 i l b 工作在i s m 开放频段 以其价格低廉 覆盖性好等诸多优点占据着主要的市场份 额 所以本文研究的是基于i e e e 8 0 2 1l b 的w l a n 系统 i e e e 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带 物理层速率可达5 4 m b p s 传输层可达2 5 m b p s 它采用正交频分复用 0 f 叫 的独特扩频技术 可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和 l o m b p s 的以太网无线帧结构接口 以及t d d t d m a 的空中接口 支持语音 数据 图像业务 一个扇区可接入多个用户 每个用户可带多个用户终端 i e e e 8 0 2 1 l g 为8 0 2 1 1 的修订版 通信速度最大为5 4 m b p s 8 0 2 1 l g 能够与 8 0 2 1 l b 在同样的频谱下运行 因此可以完全兼容8 0 2 1 l b 标准的设备 即便在同 一网络中存在支持不同规格的设备 它们之间也能够正常通信 该标准与以前的 8 0 2 i i 系列标准相比有以下两个特点 其在2 4 g h z 频段使用o f d m 调制技术 使数 据传输速率提高至u 2 0 m b p s 以上 8 0 2 1 1 9 标准能够与8 0 2 1 l b 系统互相连通 共存 在同一a p 的网络里 保证了后向兼容性 蓝牙技术 b l u e t o o t h 是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间 的低成本 近距离的无线通信连接技术 这种连接是稳定的 无缝的 其程序写 在一个微型芯片上 可以方便地嵌入设备之中 蓝牙技术中也采用了跳频技术 但与其它工作在2 4 g h z 频段上的系统相比 蓝牙跳频更快 数据包更短 这使蓝 1 2 郑州大学硕士学位论文 牙比其它系统更稳定 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合 h o m er f 是专门为家庭用户设计的一种w l a n 技术标准 h o m er f 利用跳频扩频 方式 既可以通过时分复用支持语音通信 又能通过载波监听多重访问 冲突避 免 c s m a c a 协议提供数据通信服务 同时 h o m er f 提供了与t c p i p 良好的集 成 支持广播 多播 目前 h o m er f 标准工作在2 4 6 h z 的频段上 跳频带宽为 1 m h z 最大传输速率为2 m b p s 传输范围达到1 0 0 米 表2 1w l a n 主要协议标准的性能比较 最大传输最大覆盖 协议标准速率 m b p s 波段 g h z 技术特点范围 业务 i e e e 8 0 2 1 l22 4 3 s s s 或 1 0 0 m 数据 f h s s i e e e 8 0 2 1 1 bh2 4d s s s c c k1 0 0 m 一3 0 0 m 数据 图像 i e e e 8 0 2 1l a5 45o f d n5 k m l o k m 数据 图 像 语音 i e e e 8 0 2 1 l g 5 42 4 o f d m 或c c k l o o m 一3 0 0 l 数据 图 像 语音 b l u e t o o t hl2 4f h s sl o m 数据 语音 h o m er f22 4f h s sl o o m 数据 2 4w l a n 的无线定位服务 w l a n 的定位服务属于w l a n 的一种新业务 所谓定位服务 l o c a t i o n b a s e d s e r v i c e 是指随着用户位置的不同 定位服务能适当地提供出与位置相关的信 息 刀 例如 当使用定位服务的用户走进国际会展中心时 定位服务会显示该中 心的地图 当走进演讲厅时 定位服务会把演讲者的资料和讲义显示在用户的移 动终端上 这些都是典型的定位服务 定位服务是基于能快速获得定位信息的基 础之上的 定位技术的发展直接影响着位置信息的有效提供 下面介绍目前常见 的几种w l a n 定位技术陬8 1 郑州大学硕士学位论文 2 4 1 基于r f 系统的定位技术 基于r f 系统的用户定位技术是使用基础的无线数据网络来估计用户位置 此 应用最近受到了关注 尤其是在室内无线局域网中的应用 这种定位方法提供了 更宽广的覆盖而且用户不需附加硬件 因此增强了无线数据网络的价值 该定位 技术的工作过程分为两个阶段 离线训练阶段和在线定位阶段 在离线期间 把 从感兴趣区域的特定位置的无线接入点c a p 上所收到的信号强度制成表格 作 为所谓的无线电地图 在定位阶段 用从接入点所收到的信号强度样值来搜寻无 线电地图以估计用户位置 r a d a r 就是一种基于r f 的室内自定位系统 此系统包含前端的信号处理 目 录服务和末端的定位服务 它不需要专门的硬件 建立在现有的配置和全功能的 无线数据网络基础上 r a d a r 系统在给定区域提供多个基站重叠覆盖 其前端使 用标准的网络适配器将此区域内的提供多重基站覆盖的位置所发出的信号强度 信息加以记录和处理 这包括根据环境模型 移动模型和信号传播模型进行经验 测量 据此定位和追踪移动节点 末端使用位置信息去查询目录服务器以确定最 近的网络资源 从而获得基于位置的服务与应用 也就是在r f 无线局域网中 被 激活的移动节点计算自身位簧 然后告知其它节点 从而确定哪一个网络资源最 近 r a d a r 系统定位用户有着较高精确度 能够将用户位置估计在真实位置的2 3 米之内 r a d a r 系统有以下几个优点 利用了现有的w l a n 网络结构 不改变现有 网络结构 不增加附加硬件 容易安装和管理 对于建立信号强度数据库是一次 性成本 而此系统也有不足之处 虽然精确度较高 但需要处理无线信道的噪声 特性 这些特性引起在线阶段的样值测量与存储在无线电地图中的值有较大偏 差 因此限制了r a d a r 系统的准确性 而且用户的方向不同会改变预测位置的精 确性 因此全面的准确性不高 2 4 2 联合群集的定位技术 因为r a d a r 系统定位所需的计算量很大 所以在i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 架构中开发 出了一种低计算需求且准确可升级的定位系统 此系统有两个关键特性 1 使用概率分布去增加准确性和处理无线信道的噪声特性 2 使用地图位置分 1 4 郑州大学硕士学位论文 组来减少计算量 我们称此项技术为联合群集 j o i n tc l u s t e r i n g j c 技术 联合群集技术是一种新颖的结合概率论的室内定位技术 它是用信号强度概率分 布去寻址有噪声的无线信道和定位分组来减少搜寻无线电地图的计算成本 联合群集技术使用从不同a p 上接收到的信号强度的联合概率分布来确定最 有可能的用户位置 且给出所观测到的信号强度值 此外 它利用分组来减少计 算开销 因此 联合群集技术的操作可被分为两个阶段 1 离线阶段 在此 阶段我们执行联合概率分布估计和位置分组 2 定位阶段 在此阶段我们利 用定位技术来推断用户位置 也就是说 此技术依靠概率分布去处理无线信道的 噪声特性 利用分组技术处理计算代价 无线电地图分组定位作为一种方法用来 减少定位算法复杂性 而无线电地图分组定位对无线信道的噪声特性来说是一个 挑战性的问题 分组技术对计算能量的减少多于一个数量级 这些节省的能量允 许系统对能量受限移动设备的实现 因此就所支持用户数而言 增大了系统的可 测量性 位置分组技术能够增加定位系统的准确性 帮助测量系统扩大覆盖面积 被用在现有的w l a n 定位系统中可以减少计算代价 增加准确率 群集与概率分布的w l a n 定位技术可被应用于室内和室外两种环境中 且此技 术定位精确度较高 使用i e e e 8 0 2 11 b 的w l a n 系统能将用户位置确定在7 英尺之内 的准确率在9 0 以上 但此技术也有明显不足之处 在每个位置都需要详细的预 先的无线电地图 且地图不能够缩放比例是因为仪器对于每个栅格点都需要详细 的概率分布地图 而当发射机改变或环境布局改变时 都需要信号模型的重新学 习 这一工作将是十分繁琐的 2 4 3 基于s n m p 的定位技术 一般而言 a p 在使用者要求建立联结 a s s o c i a t i o n 时 会以s n m p 简单 网络管理协议 发出a s s o c i a t i o nt r a p 通知网管工作站 使用者要求断线或远离 a p 通信范围时 a p 也会发送d i s a s s o c i a t i o nt r a p 因此 我们发现只要从网管 工作站所接收的t r a p 资料便可得知每一使用者进出a p 的信息 使用t r a p 来判断移 动终端的位置信息是一个既快速又准确的定位方法 因为移动终端一联结 网管 工作站便立即收至u t r a p 信息 定位工作可即时进行 一旦移动终端移至另一a p 时 另一个新的t r a p 会被送出 也再次启动一次定位动作 移动终端位置信息便 郑州大学硕士学位论文 会即时更新 由于定位的动作都是f h t r a p 事件触发 网管工作站并不需要周期性 至所有a p 搜集移动终端信息 不会浪费网络任何频宽 系统延展性佳 我们发现 常见的i n t e r n e t 标准m i b i i 之i p 群内的i p n e tt om e d i at a b l e 包含了i p 地址与 m a c 地址的对应资料 因此 我们可以在收至u t r a p 时 再以s n m p 回到发送t r a p 之 a p 读取上述地址对应资料 便可获得移动终端的i p 地址 经由a p 与m a c 地址之对 应 再加上m a c 地址与i p 地址之对应 我们便可在定位资料库中记载a p m a c 地址 i p 地址三者问的对应关系 当然 使用者只需以其移动终端的i p 地址来查询位置 信息 由于此技术只获得移动终端在某 a p 覆盖范围内的大概位置 故其定位精 度不是很高 综上所述 不难看出目前常用的w l a n 无线定位技术突出存在 整体定位精度 欠佳 过分依赖于无线电地图的预先绘制 系统的维护和扩充困难 环境适应性 差等问题 所以日本日立公司研究开发了使用t d o a 定位方法的1 i r l a n 无线定位系统 o 以期实现高精度 低成本 使用简便 室内 室外均可适用的无线定位系统 本文也是在这方面进行研究的 2 5w l a n 中的定时同步功能 为了加入一个b s s s t a 首先必须通过扫描得到可用b s s 的相关信息 扫描有 被动扫描和主动扫描两种方式 1 2 如果是被动扫描 s t a 就在被扫描的每个信道 上侦听信标帧 但每个信道的侦听时间是有限制的 如果是主动扫描 则发送相 应的探测请求帧 p r o b e 并从响应中了解b s s 的相关信息 扫描完成后 s t a 将根据扫描结果来决定加入哪个b s s 当决定加入某个b s s 时 就在