Android平台下基于无线信号强度的定位系统的实现

硕士学位论文（工程硕士）Android平台下基于无线信号强度的定位系统的实现IMPLEMENTATIONOFWIRELESSLANPOSITIONINGSYSTEMBASEDONSIGNALSTRENGTHONANDROIDPLATFORM赵小东哈尔滨工业大学2011年12月国内图书分类号：TP393.1学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文Android平台下基于无线信号强度的定位系统的实现硕士研究生：赵小东导师：王鸿鹏教授申请学位：工程硕士工程领域：计算机技术所在单位：中国南山开发集团答辩日期：2011年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学学校代码：密级：公开ClassifiedIndex:TP393.1U.D.C:621.3DissertationfortheMastersDegreeofEngineeringIMPLEMENTATIONOFWIRELESSLANPOSITIONINGSYSTEMBASEDONSIGNALSTRENGTHONANDROIDPLATFORMCandidate：ZhaoXiaodongSupervisor：Prof.WangHongpengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ComputerTechnologyAffiliation：ChinaNanshanDevelopmentCorporateDateofDefence：Dec,2011Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-I-摘要随着3G网络的大规模建设与智能移动终端的迅速普及，移动互联网时代已经到来，定位系统更是成为移动通讯设备的缺省配置。然而，众所周知的是：目前在用户群体中普及的全球定位系统（GPS）是依靠通讯卫星实现定位，并将结果传送至移动网络的。虽然在户外环境中能提供精确的位置信息（包括精度、纬度、速度、时间、轨迹等参数），但是无法确定垂直方向上的位置变化。此外，全球定位系统还必须要求定位的环境要在卫星的视距范围之内。一旦将GPS设备移至室内，通讯卫星的信号受建筑物的影响而大大衰减，设备也就无法正常工作，使定位功能大打折扣。基于信号强度的无线局域网定位系统是一个室内定位系统，它利用现有的无线局域网基础设施，为移动用户提供位置服务信息。它填补了室内环境下连续空间定位技术的空白，能够提供较高的定位精度，并且不需要添加硬件设备，代表了定位技术的最新发展方向。现有的基于信号强度的无线局域网定位系统可以分为两种：理论模型和经验模型。理论模型需要建立距离与信号强度之间的关系函数，经验模型定位精度则较高，需要为每个局域网建立信号空间数据库，当无线网络环境改变时则要重新建立数据库。本文设计与实现了一种在Android平台下运行的基于无线局域网信号强度的定位系统。通过获取与分析信号强度，以较理想的方式来获得被测物的位置信息，同时设计了一种全新的定位算法，提高了定位精度，最后通过实验进行比较分析，验证了算法的有效性。Android平台良好的开放性，支持应用程序的并行特性，强大的计算能力和数据库技术，都对实现本文的目标提供了强有力的支持。关键词：室内定位；信号强度；Android系统哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-II-AbstractWiththelarge-scale3Gnetworkconstructionandtherapidadoptionofsmartmobiledevices,mobileInterneterahascome,positioningsystemsformobilecommunicationdevicesisthedefaultconfiguration.However,thewell-knownare:thecurrentpopularityofusergroupsintheGlobalPositioningSystem（GPS）istorelyoncommunicationssatellitelocation-based,andtheresultssenttothemobilenetwork.Althoughtheoutdoorenvironmentcanprovideaccuratelocationinformation（includingaccuracy,latitude,speed,time,pathandotherparameters）,butcannotdeterminethelocationofchangesintheverticaldirection.Inaddition,globalpositioningsystemenvironmentmustalsobeaskedtolocatethesatellitelineofsightrange.OncetheGPSdevicetotheinterior,communicationssatellitesignalgreatlyaffectedbythedecayofbuildings,equipmentwillnotwork,sopositioninggreatlyreduced.SignalstrengthbasedWLANlocationsystemisanindoorpositioningsystemthatusesexistingwirelessLANinfrastructure,servicesformobileuserswithlocationinformation.Itfilledtheindoorenvironmentofcontinuousblankspacepositioningtechnologytoprovidehighpositioningaccuracy,anddonotneedtoaddthehardwaredevice,representsthelatestpositioningtechnologydevelopment.Theexistingsignalstrengthbasedpositioningsystemforwirelesslocalareanetworkcanbedividedintotwotypes:theoreticalmodelsandempiricalmodels.Theoreticalmodelsneedtoestablishdistanceandsignalstrengthoftherelationshipbetweenthefunctionofpositioningaccuracyofempiricalmodelsishigh,thesignalforeachlocalareatoestablishthespatialdatabase,whenthewirelessnetworkenvironmentchangeswillhavetore-establishthedatabase.ThispaperdesignedandimplementedintheAndroidplatformasignalstrengthbasedpositioningsystemforwirelessLAN,whilethedesignofawirelesslocalareanetworkbyanalyzingthedistributionofsignalstrength,betterwaytogetsignalstrength,andimprovedestimatesofthedistancepatternmatchingalgorithm,bycomparativeanalysisofexperimentstoverifytheeffectivenessofthealgorithm.Keywords:IndoorPositioning,SignalStrength,AndroidSystem哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-III-目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1课题背景.11.2本课题研究的目的及意义.21.3国内外相关技术发展现状.21.3.1室内定位系统.21.3.2室内定位技术.31.3.3Android定位API与WIFI开发介绍.31.4本文主要研究内容.41.4.1基于信号强度的无线局域网定位系统的设计.41.4.2基于Android平台实现无线局域网定位系统.5第2章无线局域网定位技术简介.72.1无线局域网运行模式.72.2无线局域网定位系统.82.2.1RADAR.82.2.2Horus.102.3无线局域网定位技术.122.3.1利用信号传播的理论模型.122.3.2利用信号传播的经验模型.152.4Android系统定位技术与API的工作原理.162.5本章小结.17第3章无线局域网定位系统的混合模型研究.183.1引言.183.2建立无线局域网场景数据库.193.2.1无线信号的传播特点.193.2.2信号空间的采样和建立.193.3估算移动节点到基站的距离.243.4计算移动节点坐标.263.5本章小结.26哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-IV-第4章基于混合模型的定位系统设计与实现.284.1引言.284.2定位系统的部署.284.3系统结构设计.304.3.1系统需求分析.304.3.2软件构架设计.314.4Android系统上功能模块的实现.344.4.1参数配置模块的实现.344.4.2信号读取模块的实现.354.4.3定位算法模块的实现.374.5实验结果与分析.384.5.1实验环境简介.384.5.2实验结果分析.394.6本章小结.41结论.43参考文献.44哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.48致谢.49个人简历.50哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景本课题来源于哈尔滨工业大学深圳研究生院移动计算机研究中心有关“无线局域网定位系统”研究课题之一。位置信息在人们的日常生活中扮演着重要的作用，在陌生环境中使用定位导航信息可为人们提供便捷的服务，目前在用户群体中普及的全球定位系统（GPS）是依靠通讯卫星实现定位，并将结果传送至移动网络的。虽然在户外环境中能提供精确的位置信息（包括精度、纬度、速度、时间、轨迹等参数），但是无法确定垂直方向上的位置变化。此外，全球定位系统还必须要求定位的环境要在卫星的视距范围之内。一旦将GPS设备移至室内，通讯卫星的信号受建筑物的影响而大大衰减，设备也就无法正常工作，使定位功能大打折扣。因此，研究并实现基于移动终端的室内定位系统，使之在复杂的室内环境，如机场候机楼、大型商场、地下停车场、矿井等环境中，能够高速、高精度地确定移动终端或其持有者的位置信息1。让室内室外定位系统无缝连接，是一个非常有意义和具有广阔前景的课题。目前，基于位置的上下文感知服务有着极其广泛的应用前景。例如，在自动化办公系统中，位置感知系统可自动选择最接近用户的打印机打印文件。在机器人领域，位置感知功能可以实现机器人的智能导航。在智能家居应用中，借助于室内位置感知系统，多媒体家电可以自动选择最接近用户的显示器播放视屏文件。因此，定位系统是实现普适计算的关键技术之一。在此，定位系统已经不仅仅作为一种单纯的、简单的位置提供方式，而是和其他应用服务结合在一起，为移动用户提供更加贴近需求的服务。Android（安卓）作为第一个完整、开放、免费的手机平台，Android使开发者在为其开发程序时拥有更大的自由2。目前，包括Google、HTC、T-Mobile、摩托罗拉、三星的几十家企业都将基于Android平台开发手机新型业务。Android平台的良好的开放性、支持应用程序并行运行的特点、强大的运算能力与数据库技术，都是本课题选择其成为室内定位系统载体的主要原因3。哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-1.2本课题研究的目的及意义现在已经有的定位系统大致可分为三类，如图1-1所示：全球定位系统、移动通信定位系统、室内定位系统。全球定位系统依靠通讯卫星实现定位，并将结果报给移动网络。其优势是在户外环境中能提供精确的位置信息（包括精度、纬度、速度、时间、轨迹等参数），但是无法确定垂直方向上的位置变化。此外，还要力求定位的环境要在卫星的视距范围之内。因此，在室内环境里，想要通过GPS实现定位是不可行的，因为室内各种各样的障碍物很容易阻挡GPS信号的传播4。移动通信定位系统就是指通过无线终端（手机、PDA、笔记本电脑等）和运营商的无线网络如WCDMA、TD-SCDMA、GSM等较好地配合，并确定移动终端或商业用户的即时位置数据（经纬度、坐标），来提供用户所需的相关服务。与GPS系统相同的是移动网络系统也不适合室内的环境。因此，实现一种能够在室内环境下性能优越的定位系统，并且可以使此室内定位系统与室外各类定位系统进行无缝连接，是一个非常有意义的课题。红外线射频/蓝牙WLANGPS无线传感器网络GSM(2G)CDMA(3G)个人局域网无线局域网通讯卫星移动运营网络室内室内/室外室外无缝连接定位系统图1-1定位技术概述1.3国内外相关技术发展现状1.3.1室内定位系统目前国内外较成熟的室内定位系统有ActiveBat、ActiveBadge、RADAR等，分别基于红外线、超声波、无线局域网等相关技术，这些定位系统由于所基于的技术的局限性，均存在着一定的不足之处6。理想的室内定位系统通过哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-移动终端定位的过程中所使用的定位技术的定位系统是根据接收到的多个排放点发射信号的位置进行移动终端的位置信息（如电场强度，传播时间，时间差的特点）确定的几何和的发射器之间的位置关系，然后在移动终端的位置计算功能集成，根据定位算法来计算的的移动终端弹道测量系统的估计位置（轨迹功能）和信息整合功能（融合在各类应用的移动终端）。本课题所采用的Android平台的特点较适合于基于移动终端的定位技术，它通过移动终端辅助定位技术，来实现位置坐标信息的获取，并支持将测量结果发送至服务器计算。与以上几种室内定位技术比较，将在减少延迟和负荷（尤其是计算移动终端的位置信息过程），获得较大的改进与提高7。1.3.2室内定位技术目前国内外应用较成熟的室内定位技术有红外线、射频、蓝牙、无线局域网、ZigBee等，根据国内外研究现状，任何一种室内定位技术或手段都存在着局限性8。可以预见未来的室内定位技术必将是若干种定位技术相结合，发挥各自优点与长处的一种混合定位技术。通过无线网络协议，底层的IEEE802.15.4标准规范使用的媒体访问层和物理层，力求低转速，低功耗，低成本，支持大量的网络节点，以支持各种网络拓扑结构，复杂度低，速度快，可靠，安全，并且提供较高的精度与响应速度，与室外定位进行无缝连接，实施精确定位。1.3.3Android定位API与WIFI开发介绍Android提供了.wifi包供我们操作，WiFi应用程序接口为应用程序和底层无线栈进行交流提供路径，而底层无线栈又为WiFi提供接入点9。基本上来自请求端的信息都是可见的，包括已经连接网络的连接速度、IP地址、完成状态和更多的信息，比如：可以到达的其他网络的信息，应用程序接口的特性（包括获取信号强度、扫描、添加、保存、终止和开始与WiFi的连接），如表1-1所示。哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-表1-1WifiManager的常用方法方法说明addNetwork添加一个配置好的网络连接calculateSignalLevel计算信号的强度compareSignalLevel比较两个信号的强度createWifiLockgetScanResultsgetConnectionInfo创建一个Wifi锁得到被扫描的接入点得到正在使用的连接的动态信息1.4本文主要研究内容1.4.1基于信号强度的无线局域网定位系统的设计在设计过程中，首先计划建立一种基于信号强度的无线局域网定位系统的混合模型，能够对目标进行三维定位。此混合模型的定位过程计划分为三个步骤：（1）建立无线局域网场景数据库在建立无线局域网场景数据库过程中，应避免大范围的数据采集，且应满足基站移动后不用重新采集数据，尽可能降低算法复杂度。与理论模型相比，计算移动节点与基站之间的距离的匹配算法应综合考虑各种环境因素对信号强度的影响，且计算应简单、方便10。建立无线局域网场景数据库是混合模型定位系统的第一步，此数据库将用于第二步的距离估算。在建立数据库的过程中，最重要的是怎样有效的提取信号强度特征值，要想有较高的的定位精度，就必须选出最具代表性的特征值。实验中具体需要解决好以下两个问题：第一、测试点间的间距的确定。间距太小，数据采集量过大，不仅不能提高定位精度反而会增加计算量；间距过大，数据采集得不够，这样会使得测试点到基站之间的估计距离误差偏大，降低定位精度。所以要通过实验来研究测试点间的间距对定位精度的影响，找到测试点间的最佳距离或区间。第二、需要解决要测试多少条射线上的点才能够表征整个无线局域网的信号传播模型13。（2）估算移动节点到基站的距离接下来的重要步骤是估算测试点与基站的距离。估算的关键是设计一个好哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-的模式匹配算法。传统的几种模式匹配算法如KNN，ProbabilisticMethod，NeuralNetworkModel，SVMModel等都已经在经验模型中使用过了，因为两种信号传播模型中提取特征值的方法有很大的不同，在经验模型中表现最好的模式匹配算法不一定适合本算法。计划在接下来的研究中，能够设计一种理想的匹配算法。AP信号强度随距离增加而降低的特性反映了移动用户的位置，所以能够根据信号推测用户的位置信息。但信号在空间的传播受众多因素影响，具有不确定性。因此在进行定位处理时必须注意可能出现的信号衰减问题14。在实验中，部署的每个AP的功率不是完全一样的。假如某一AP的功率很大，则很可能导致在一个较大的范围内接收到的信号都很强，无法区分位置点。这时需要增加辅助的AP，并根据每个AP的影响为其分配不同的权重，使得通过多个AP的信号综合分布可以精确定位。关于外界环境的影响，计划通过在Android设备中增加环境监测辅助模块，通过环境监测模块（数据可由局域网支持）对噪声、温度、湿度进行监控，并通过计算滤掉此类影响，提高定位精度。（3）计算移动节点坐标。使用传统三边测距法可求得移动节点的平面位置坐标。在接下来的研究中，将会对三维坐标的计算方法进行研究1.4.2基于Android平台实现无线局域网定位系统在Android平台上，计划实现测试设备利用无线信号强度实现自定位。也就是定位软件根据局域网信号的强度和植入的定位算法，实时的将测试设备的三维坐标位置显示在屏幕上；如果设备装载电子地图，还要将测试设备位置在地图上标识出来。性能方面：由于本课题的主要目标是要标识测试点的实时位置，如果Android系统计算节点三维坐标的速度太慢，将失去实用价值；系统应满足每3秒钟计算一次测试点的位置。要实现移动节点的三维坐标定位，目前设想无线局域网中至少应该有两组AP，一组用来确定二维坐标、另一组用来确定第三维坐标，由于不同型号的AP的发射功率差异较大，同一局域网中，用于定位的AP应尽量选用统一的型号17。系统应以对话框的形式让用户在Android环境下设置软件运行所需的相关参数，如选择无线网卡、选择AP、填写AP坐标信息、选择定位算法、选择局哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-域网地图等。系统运行时，系统的主界面应该显示所在局域网的电子地图和移动节点在地图中的位置。由上述分析我们得到Android系统下的设计目标，如下：（1）参数配置：系统提供用户选择网卡、无线AP、定位算法和设置无线AP节点坐标的功能15。（2）定位算法：这是系统的核心，本系统将实现两种定位算法，用来分析比较这两种算法的性能。（3）显示功能：系统应将用户的实时三维坐标显示在屏幕上，如果有电子地图，还应显示测试点在地图上的坐标。（4）错误提示功能：如果是硬件设备或无线局域网出错，导致系统无法正常运行，在Android系统界面下应有相应的提示信息。在Android平台下实现定位功能可以设计为采用远程定位模式的定位系统：远程定位是指移动终端通过定位服务器提供的服务来定位的过程。此时，移动终端不具备定位功能但定位服务器必须要有定位功能。定位过程如下：（a）AP节点周期性的发射无线信号；（b）移动终端收集局域网内三个以上可见AP的信号强度；（c）移动终端向服务器发出定位请求和定位数据；（d）定位服务器将结果返回给移动终端；（e）移动终端将结果显示在屏幕上。远程定位系统需要在局域网中添加提供定位计算的服务器，同时增加了系统实现的复杂度。但是，用户不用关心局域网相关信息，操作简单方便；同时，系统还可以限制未经授权的客户端使用位置服务，提高了系统的安全性16。哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-7-第2章无线局域网定位技术简介2.1无线局域网运行模式WLAN由访问点（AP：AccessPoint）和移动终端（MT：MobileTerminal）组成。访问点对应于无线交换机或路由设备。移动终端则对应于带有无线局域网适配器的任何移动终端。WLAN网络的基本服务单元称为BSS（BasicServiceSet），其中包括了一组可以相互通讯的基站21。这些基站之间可以分别通过两种网络运行模式进行无线通讯，分别是基础设施模式（InfrastructureBSS）和一对一模式（AdHocBSS），如图2-1所示。图2-1WLAN的工作模式两者的区别是前者需要利用AP协助MT完成相互之间的通讯，后者不同MT之间直接建立端到端的无线通讯连接，无须AP的参与22。前者网络通讯更加稳定，AP多用户处理能力较强，适用于在固定区域提供无线访问接入服务，是目前WLAN在实际环境中运行的主要形式。以下讨论的WLAN均指运行在基础设施模式下的WLAN。a）基础设施模式b）一对一模式哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-2.2无线局域网定位系统WLAN定位技术概括的讲就是指利用WLAN自身的测量信息，通过某种技术方法，确定WLAN网络中移动用户（移动终端）在物理空间中的位置的技术。无线局域网以其部署简单、提供高带宽接入以及使用开放的无线ISM频率等优越特性，近年来赢得了人们的青睐，获得了迅猛的发展。在大规模部署无线局域网的时候，如何有效地利用这一网络基础设备，融合下一代网络的关键技术，构建新一代无线网络应用，成为了规划和设计这一无线网络的核心问题。无线局域网技术是从有线局域网技术中发展而来的，这使得现有的各种有线网络的应用都能无缝移植到无线局域网中来；同时，无线局域网无线介质的特性也为创建全新的网络应用提供了可能。现在，有越来越多的用户使用移动设备（如笔记本电脑、掌上电脑和个人数字助理），通过无线局域网随时随地接入互联网，这就给基于位置的服务和应用提供了广阔的市场空间，而位置和应用服务中最为关键的就是无线定位技术11。基于WLAN的定位技术研究开始于1999至2000年左右，本节将重点分析两个具有代表性的WLAN定位系统，它们分别是微软研究院的无线网络通讯组的RADAR5项目，马里兰大学的Horus12试验系统。2.2.1RADAR微软研究院的无线网络通讯组2000年左右开始进行基于WLAN的位置服务方面的研究，于2000年提出了RADAR原型系统。该系统和微软研究院的其他语音识别和远程控制技术相结合，实现智能大厦导航、定位、随身服务等一系列个人应用，系统的定位精度接近于3米左右13。微软研究院的RADAR系统是第一个公开的基于WLAN的定位系统。它首次提出通过建立信号空间来描述WLAN网络的信号分布。信号空间由一系列分布的位置点组成。在每一个预先被选中的位置点上，RADAR系统通过扫描周围AP发送的信标节点，记录下“可见”AP的接收信号强度（RSS：ReceivedSignalStrength），经过处理后，组成一个多维的RSS矢量，作为无线网络信号在该点的信号分布情况的表征。由于无线网络信号在固定的空间、国定的位置、固定的发送功率等前提下，按照其信号传输规律，将在一个相对稳定的物理空间范围内形成一个相对稳定、并且连续的无线信号分布。因此，可以按照该方法，采用信号空间这种方式，建立起所有无线局域网AP信号的物理空间中分布情况的一个参考模型，如图所示。物理空间的各个位置点将和信号空间中的位置哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-点达成理想状态下一一对应的关系，并同时满足连续分布的关系。而对物理空间位置点的定位，就能够顺利地转化到基站信号空间所对应空间位置点的定位。信号空间是一个多维空间，一旦信号空间建立，定位过程可以简单概括为：根据定位样本在信号空间中所处的位置和距离关系，反向推导其对应的移动用户在物理空间中的坐标位置。定位过程可以分解了一系列连续的邻居搜索匹配和位置坐标计算步骤。如对于一次独立的位置定位过程来说，实时从移动用户采集到的定位样本代表了信号空间中的一个空间位置点。对于信号空间来说，信号空间中的点已经和物理空间中的位置点存在对应关系，并且物理空间和信号空间都是连续分布的。所以对于一个未知物理位置的信号空间位置点来说，可以利用信号空间中的邻居位置点，根据连续分布的关系，推算出自身在物理空间中应该对应的物理位置。RADAR设计并试验了两种不同的信号建立方法。其一是建立经验模型的方法建立信号空间，其二是建立信号分布的理论模型建立信号空间。基于经验模型的方法即通过采样的方法，在物理空间中选定若干物理位置点，这些物理位置点按照一定的密度散布于定位服务所在的区域中。在每一个被选中的物理位置点上，采集可见AP的信标信号，并记录下个AP的RSS。由于无线信号自身的不稳定性，在每一个点上采集的信号强度值，需要按照AP进行平均或者中位数处理来减少信号抖动造成的干扰。RADAR经验模型将每一个采集点的可见AP的多维RSS数据及该采集点的物理位置坐标一起保存到信号空间中。基于信号分布理论模型的信号空间建立方法依据信号衰竭模型直接建立的信号空间。无需预先进行位置点的选取和采样。RADAR的研究者提出了一个简单并且具有一定精确度的室内环境下无线网络信号分布数学模型，利用该模型可以计算在开放空间和有阻隔空间（如墙壁）的组合条件下，AP到无线用户之间的信号衰竭参数。这样就可以根据AP的位置和无线用户所在位置，大致计算出不同物理位置点的无线网络信号接收强度（RSS）。基于理论模型的好处是完全抛弃了位置点和预采样，缺点是定位精度较差，主要原因是复杂度的WLAN网络环境无法用简单的理论模型完美的表示。RADAR原型系统的工作运行分为两个阶段，第一个阶段是离线阶段（Offlinephase），第二个阶段是在线阶段（Onlinephase）。离线阶段其实就是建立信号空间的过程。在线阶段实现移动用户的位置定位，基本过程是先在移动用户端采集一组可见AP的RSS数据，进行处理后形成定位样本，随后在信号空间中采用特定的搜索算法进行搜索和匹配，计算出移动用户物理位置坐标哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-的最可能的预测值。RADAR的搜索过程中采用了两种搜索算法，分别是最近邻居法和最近邻居平均法。RADAR系统作了大量的固定点定位测试，测试信号空间及其定位算法在实际环境中是否有效及其所能达到的定位精度。固定点定位试验在采用经验模型和最近邻居法和最近邻居算法的条件下，定位精度能够达到2-3米之间。对于一个室内环境而言，2至3的定位精度相当于一个小型办公室的宽度。而采用理论模型建立的信号空间在试验中的表现相比经验模型相差较多，主要原因是由于复杂的室内环境条件下建立的近似理论模型无法精确符合实际环境下的无线信号分布。RADAR对WLAN定位技术研究的贡献是开创性的，它验证了WLAN网络用于定位服务的可行性，并确立了WLAN定位技术的研究方向。2.2.2HorusHorus12是马里兰大学计算机系MIND实验室进行的一项无线定位研究项目。该研究项目最主要目标是提高WLAN定位技术的绝对定位精度。首先，该研究项目在定位位置计算方法中引入了概率分布模型，希望通过概率分布更好的反映信号空间分布状况，从而在随后的定位计算中能够按照出现的概率，来更加准确的分类判定位置点远近并计算位置坐标。其次，Horus系统仍然采用RSS作为信号空间的特征量。由于Horus希望用概率分布反映的信号空间的每一个位置点，因此每一个位置点上保存的信息更加复杂，不再为单一的多维RSS矢量，而是经过统计获得的多维RSS概率分部信息。Horus认为通过概率分布能够更好的反映实际环境物理空间中无线信号分布情况。和RADAR一样，Horus系统的定位过程也分为两个阶段。第一个是Offline阶段，第二个是Online阶段。Offline阶段完成信号的采样和特征量的分析和处理，建立起概率分布信号空间，表示空间信号分布状况；Online阶段完成移动用户的实时信号样本采集和位置定位计算。在Horus的研究中，解决了WLAN定位技术面临的以下两个问题：（1）无线网路信号由于周围移动的物体或者固定物体对信号的吸收、反射、折射、衍射等作用，导致在固定位置点的信号强度表现出震荡分布的特点。这种信号的波动性会对根据绝对信号强度数值进行定位的系统带来干扰，影响定位的精度。（2）由于无线网络信号强度的波动性和环境中干扰因数的存在，使得在一个较复杂的环境中，某一个位置点上可见的AP数量是变化的。这使得可用于哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-定位服务的AP集合有可能是变化的。另外一个类似问题是在一个较大的区域内实施定位服务时，由于单个AP的覆盖范围是有限的，所以在一个较大范围内的不同地点，可见的AP及其数量都是不相同的。这需要定位服务器能够自动适应信号空间中特征量集合的变化。针对问题（1），Horus采用了前面所述的引入概率分布的方法。即将该种环境干扰波动情况当作正常信号的一部分进行处理，并统计该种分布的概率值。即用基于概率的分布来代替绝对数值（RADAR采用的平均值或者中位数），基于概率的信号分布反映了在某一个特征位置点的某一个AP的无线信号强度统计分布，如图2-2所示12。图2-2单个AP的无线信号强度值的概率分布图2-2的横坐标为该点所有采集到的信号的可能强度值，纵坐标为对应信号强度值的采集样本在全部采集样本中所占的百分率。以上分布图可以用公式P（AP=Si）来表示，其中P表示出现概率，Si表示对应的信号强度值，见公式（2-1），对于一个给定的位置点和该位置点可见的任意一个AP：klikilSAPP)(;1)(（2-1）在Online阶段，当系统从移动用户端采集到一组k个信号x（AP1=S1,AP2=S2,APk=Sk）之后，对于一个给定的位置点l，移动用户出现在l点的概率为P（AP1=S1,AP2=S2,APk=Sk），即定位问题被转化成为对一个k个随机变量求联合概率分布的问题12。采用极大似然估计是求解该联合分dbm哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-12-布的一个方法，见公式（2-2）：DataTrainingofSizeSSSCountSAPSAPSAPPkkk),.,(),.,(212211（2-2）Horus通过概率模型获得当前定位样本S在各个位置点l出现的概率，然后对各个位置点出现的概率进行排序，最后根据概率排序后的位置点坐标集合进行位置坐标的计算。Horus采用重心算法进行目标坐标的计算。针对问题（2），Horus对定位区域内的所有位置点进行了聚类分簇。Horus定义簇为共享k个指定AP集合的信号空间中的位置点集合。定位计算进行之前，首先根据样本数据选择一个合适的簇。随后，定位计算只在该簇中进行，定位计算的计算量降低。并且由于不同的簇其实代表了不同的定位区域，所以利用分簇以及在定位计算之前预先确定所属分簇，Horus解决了大范围覆盖中可见AP数量的变化问题。从以上分析可以看出，Horus系统的最大创新点是引入了概率分布模型，它利用该概率分布模型更好的反映了实际环境中信号空间分布状况。此外，Horus提出的分簇方法解决WLAN定位系统的大范围覆盖以及随之而来的计算效率问题18。Horus系统的概率分布定位计算相对于RADAR系统要复杂的多，需要消耗更多的计算资源。但是Horus的分簇减少了单次定义计算使用的位置点集合数量，不过每次定位计算前，Horus必须根据样本中包含的AP信息进行簇的与选择。2.3无线局域网定位技术2.3.1利用信号传播的理论模型信号传播模型是指运用数学表达式、图表或算法模拟信号在给定环境下的传输特性。根据建模方法的不同，可以将模型可以分为两大类19：经验模型和理论模型，或者是两种模型的结合即混合模型。经验模型是基于实验数据的，而理论模型是基于信号传播的基本原理。经验模型的优点是综合考虑了所有的环境因数。在实际应用中，经验模型需要大量的数据库空间存储环境特性参数，其中有些参数可能还无法获得。经验模型所用的算法通常都很复杂。在对数距离路径损耗模型中，路径损耗表示为距离的对数指数24。见公式（2-3）：哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-)log(10)()(00ddndPLdPL（2-3）其中d是信号的传播距离，PL（d）是经过距离d后的路径损耗，取d=1m,代入式（2-3），可得到Loss，即PL（d0）的值。式中n的值取决于具体的使用环境。例如，建筑物的构造材料、结构、所处位置等。N的值越小，表示信号损失越小。N的范围在1.2到6之间。在自由空间中，n的值为2，表2-1列出了几种典型环境下的n值。表2-1不同环境下的路径损耗指数环境路径损耗指数n自由空间2Urbanareacellularradio2.73.5Shadowedurbancellularradio35Inbuildingline-ofsight1.61.8Ob