51_无线定位技术

无线定位技术综述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。主要有室内无线定位和室外无线定位两类室内无线定位：主要有红外线、超声波、蓝牙、射频识别、超宽带、ZigBee和无线局域网等定位技术典型室内定位技术基于临近关系的定位：根据待定位物体与一个或多个已知位置的临近关系来定位。这种定位方法通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。基于场景分析的定位：对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。基于场景分析的定位技术可以细分为两种：基于经验模型(EmpiricalModel)的场景分析定位技术和基于确定模型(DeterministicModel)的场景分析定位技术。基于信号强度（RSS）的定位是最常用的基于场景分析的定位方式。RSS技术利用了信号的衰减规律，即接收端离信号源越近，收到的信号强度越强，反之，越弱。基于三角关系的定位：基于信号到达时间（TOA)基于信号到达时间差（TDOA)基于信号到达角度（AOA）一基于WLAN的室内定位技术WLAN(WirelessLocalAreaNetworks)即无线局域网络，是在局部区域内以无线媒体或介质进行无线通信的网络.无线局域网的传输媒质有射频无线电波和光波两类。基于无线局域网的定位就是在无线局域网中通过对接收到的无线电信号的特征信息进行分析，根据特定的算法来计算出被测物体所在的位置.基于信号到达时间（TOA）、基于信号到达时间差（DTOA）、基于信号入射角（AOA）以及基于信号强度（RSS）的定位技术是目前最主要的无线定位技术，但是由于AOA和TOA都需要专门的设备支持,来协助完成角度计算和延时计算，无线局域网中通常采取基于信号强度（RSS)的定位技术，即位置指纹法和传播模型法。二Wi-FiWi-Fi:Wi-Fi俗称无线宽带,其实就是IEEE802.11b的别称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”（WirelessEthernetCompatibilityAlliance,WECA）的组织所发布的业界术语，中文译为“无线相容认证”。它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。因此，是一种十分重要的WLAN技术。WIFI有很多突出优势，其一，无线电波的覆盖范围广。其二，传输速度非常快，可以达到54mbps。其三。布线简单，成本低廉。因此，用WIFI实现定位是WLAN中定位技术的重要组成部分。Ekahau基于无线网络WiFi的实时定位系统(RTLS)是业界最精确、最简便可行、最具成本效益的实时定位系统，它也是一种基于信号强度（RSS)的定位系统。三RADAR系统RADAR是微软雷德蒙研究院于2000年提出的基于射频的室内定位跟踪系统，目的是补足射频无线局域网数据网络的定位能力和跟踪能力。系统是使用移动设备接收到的射频信号强度来进行定位。并用了经验信号强度测量值和电波传播模型两种方法对用户进行定位，即传播模型法和位置指纹法。传播模型法：利用无线电信号传播的数学模型，把在用户端测得的信号强度转化为距离，由此估计用户的位置，这种定位方法即为传播模型法。传播模型法采用信号强度作为距离测量的媒介，根据信号的传播模型将信号强度转换为距离，所以不需要添加额外的硬件设备。为了减少RADAR系统对经验数据的依赖，提出了考虑墙壁衰减因素的电波传播模型n为信号强度随距离的衰减速度;p()表示在参考距离处的信号强度0d0dd表示信号发送方和接收方的距离;C表示障碍物(墙壁)的最大数；nw表示障碍物(墙壁)的数目;WAF表示信号经墙壁的衰减因子。该种方法利用室内信号的传播衰减规律，通过传播模型将实测得到的接收信号强度转换为距离，然后结合一定数量位置已知的AP利用三角测量原理完成定位。位置指纹法：位置指纹：（LocationFingerprint）是指特定的位置与某个可测物理量之间的特殊关系。位置指纹法工作在两个阶段:离线采样阶段和在线定位阶段。在离线阶段，采集环境内各个测试点的信号强度，建立信号强度指纹分布图。在线阶段是利用离线阶段建立的信号强度分布图，根据实时在线阶段采集的各个AP的信号强度估计移动设备的位置。离线采样：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。即得到位置指纹。在定位区域内选中一定数量的测量点，在这些测量点上完成接收信号强度值的采集。对各个AP在这些测量点测得的RSSI值进行均值处理后，形成一组RSSI值{，……}。将该组RSSI值作为测量点的位置指纹样本保存在数据库中。0rssj1rssj在线定位：其主要工作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。位置指纹数据库建立完成后，RADAR系统在进行实时室内定位过程中，首先待定位节点对周围AP的RSSI进行采集，形成一组AP的RSSI观测值，然后通过在位置指纹数据库中进行搜索匹配，搜索匹配采用信号空间最近距离邻居法（NNSS)即信号空间中欧几里德距离其中n表示AP的个数，RSS表示实时收到的来自第i个AP的信号强度，表示数据库中的信号强度平均值并取差异值最小的位置指纹的位置作为估计的位置。NNSS算法只能计算RadioMap中各参考点和被定位目标位置之间的距离，并选取距离最近的参考点坐标作为被定位目标的位置坐标。所以，NNSS并不能计算WLAN客户端的实际物理位置坐标，而是采用已知参考点中距离最近的点坐标作为近似估计坐标。NNSS-AVG是RADAR系统在NNSS算法上的进一步改进，它在NNSS计算给出的各参考点距离值的基础上，对这些距离值进行排序，选取其中距离值最小的N个参考点，然后对这N个点的物理位置坐标进行平均，得出的坐标作为被作为WLAN客户端的最终位置坐标，其中N的数值可以根据具体系统环境进行调整。NNSS只能完成离散点的定位服务，而改进后的NNSS-AVG能够近似完成连续空间的定位服务四其他的WLAN定位技术Horus：玛丽兰大学正在研究中的一个基于WLAN的定位系统。同样采用RSS作为构成信号空间的基本元素，Horus在信号空间的建立中引入了概率模型。Horus系统在预先选定的参考点上，采集并记录下AP的RSS数值。但Horus不对全部采样值进行平均或者中位数处理，而是形成每个AP的RSS值在该点上的直方分布图，并将直方分布数据存储在RadioMap中。Horus还特别提出了一种对信号图的位置集进行分簇的方法，对整个信号空间进行分簇，并在有效的簇中进行搜索，从而实现快速定位计算。Horus系统提出了两种分簇方法:联合分簇法和增量三角测量法。增量三角测量法的测量精度将比联合分簇法低，但是计算效率更高。Nibble：Nibble是加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)提出的一个WLAN定位系统，它和RADAR、Horus的显著区别是采用信噪比作为信号空间的样本，而不是采用RSS，Nibble和Horus一样采用概率模型来建立信号空间，但和Horus不同，采用贝叶斯网络来建立信号空间的连续概率分布图。Weyes：是由北京航空航天大学研究的基于无线局域网的定位系统，采用RSS作为信号空间的基本采样值，Weyes的信号分布图采用差值模型对RSS预先进行处理，形成RSS差值，然后在RadioMap中保存差值模型处理后的RSS差值序列作为信号空间的参照量。Weyes引入差值模型的目的在于消除RSS中的设备引入误差，从而使建立的信号空间与设备类型无关。Weyes对NNSS-AVG算法做的改进主要是将NNSS-AVG所采用的选取欧几里得距离最小的N个位置点坐标进行平均的方法，修改为选取欧几里的距离值小于等于X倍最小欧几里的距离的M个位置点，通过归一化处理，换算成概率值，Weyes通过概率分布，通过M个点坐标和各自的概率值，计算出最终目的坐标。基WLAN的定位系统比较五现有的室内定位技术红外线定位：在待定位的物体上附上标识，标识使用红外线发射机定期发送自身唯一的ID识别码，同时在室内定位区域的每一个房间里固定放置红外线接收机，用于提取红外信号携带的数据，并通过有线网络上报给控制中心数据库。由于墙壁对红外线的屏蔽作用，确保接收机只能接收到同一房间中的标识信号，从而实现对物体的准确定位。超宽带（UWB）定位技术：超宽带通信系统利用持续时间为纳秒或亚纳秒级的窄脉冲作为载体进行数据传输，使得信号可以占有数GH的带宽，超宽带通信信道容量大、穿透能力强、辐射功率谱密度低、对信道衰落不敏感、抗多径干扰和电磁干扰能力强等。特别适合应用于室内环境下的高速通信，精确定位与跟踪。常采用基于TOA,TDOA的定位方法实现定位。射频识别（RFID)技术：RFID系统包括:Reader、Tag、主机(host)及数据库。当系统要进行物体辨识工作时，主机通过有线或无线方式下达控制命令给Reader，Reader接收到控制命令后，其内部的控制器会通过RF收发器发送出某一频率的无线电波能量，当Tag内的天线感应到无线电波能量时，会传回一系列的辨识资料给Reader，最后传回主机进行物件的辨识与管理。除了以上提及的定位技术，还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外，还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段，如基于磁场压力感应进行定位的技术。致谢