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1、 无线室内定位技术和系统的研究摘要-近年来无线定位系统变得非常流行， 这些系统已经成功的应用在许多领域，例如资产跟踪和库存管理。本文概述了现有的无线室内定位解决方法和尝试为这些不同的技术和系统分类。有三种典型的定位方法：三角剖分，现场分析，近似分析。我们也要讨论位置像指纹一样精确，因为它大多数被应用在电流系统和方法。然后我们测试出一组属性，通过这些属性对定位系统进行评价，然后用这个评价的方法对现有的一些系统进行研究。全面的属性比较包括准确性，精密性，复杂度，可扩展性，坚固性和所需要的成本。关键词室内遥感定位，定位精确度，定位算法，射频，无线定位。1.导言年来室内传感定位系统已经变得非常流行，这
2、些系统提供了一个新的自动化领域叫做对象的位置的自动检测，现实生活依靠这种自动化的应用有很多。举几个例子，我们可以想下储存在仓库的产品的定位，医院中医疗人员和设备的定位，火灾中的大楼里消防队员的定位，去大楼中寻找爆炸物的警犬的定位，和寻找分散在全厂的指定的维修工具与设备。室内定位传感系统的主要进步在最近 10 年取得，所以，在这个领域的研究和商业产品都是新的，现在学术界和工业界的很多人都参与这个研究并且发展这个系统。本文的目的是给读者一个无线定位传感系统的室内应用的回顾。如有可能，本文比较了相关的技术和系统，作者希望这篇文章给这些系统的研究者，使用者，改进者扮演一个引导者的角色。并且帮助他们发现
3、潜在的问题和未来的产品在这个新兴的领域。近年来一个无线电系统的惊人的成长出现了，无线技术已经进入到消费者应用的程度。例如医疗，工业，公共安全，物流，运输系统以及许多其它应用。自组织传感网络，敏感位置计费，普适计算，信息服务，跟踪并引导在许多可能的应用领域。由于无线信息是广泛需要的，对于无线网络的精确位置有很高的要求，包括室内外环境，确定位置的过程叫做位置传感，定位或者无线电，如果它应用了无线技术。不同的应用可能需要不同类型的位置信息，本文讨论的主要类型是物理位置，标志位置，绝对位置，相对位置。物理位置用坐标的形式表达，可以在一个二维或三维的地图确定一个点，广泛使用坐标系统是数据管理系统，和 U
4、TM系统。位置符号用自然语言的方式表达一个位置，例如在办公室，在三楼的卧室等等，绝对位置所有的对象用一个共享的参考网络，相对位置取决于对象自己的框架和参考对象，相对位置的信息通常基于附近的已知的参考点和基站。各种无线技术被应用于无线室内定位，可基于这些来分类，1：定位位置的算法，例如确定位置的方法，利用不同类型的信号测量的方法比如时间飞行，角度，和信号强度；2：物理层和位置传感的基础设施，无线技术被用于无线设备和固定设备的联系，一般来说，测量涉及硬件组成的系统间的信号的传送和接收，一个室内定位系统最少包括 2 个分开的硬件组成部分：一个信号发射器和一个检测单元，后者主要携带这个系统的主要部分“
5、智能” 。对于定位系统有四种不同的系统拓扑，第一个就是远程定位系统，它的信号反射器是移动的，有几个固定的检测单元接收发射器的信号，收集所有单元的检测结果，然后在下一站计算出发射器的位置信息。第二个就是定位系统中检测单位是移动的，这些单位接收那些已知位置发射器发射的信号。并且通过检测的信号有能力计算出自己的位置。假如在一个定位系统中一个无线数据链被提供，可以把检测结果从自我定位检测单元传送到远程单位，这就是间接远程定位。这就是第三种远程拓扑。假如检测结果从远程单位传送到移动单元通过数据链，这种情况叫做间接自我定位，这就是第四种系统拓扑。这么几个方面我们文章不同于以前的研究文章，与以前的研究文章相
6、比较，我们文章重点在无线定位系统的室内应用，只是通过系统的普适计算对位置进行一般性的描述，不解决不同类型的定位算法，特别是无线定位方法。同样的，本文也提供一个简单的对于无线技术室内定位方法的概述，并且不会提供更加详细的关于它们和室内无线定位系统的行为基准。本文发表的日期是 2002，也是那时候起，几个无线室内定位系统和解决方法得到了发展。在本文中，我们呈现最新发展的系统或者解决方法和它们的位置计算。我们主要的目的对他们作一个定性的概述。如有可能，我们还会对这些系统和研究办法进行定量的比较。二：检测原理和定位算法检测原理和定位算法在室内为无线传播建模是不容易的，因为严重的多径环境，得到可视路径的
7、低概率性，和特定的站点参数，比如地板布局，移动的物体，以及众多的反射表面，目前没有好的室内无线多径传播模型。除了使用传统的三角测量，用现场分析的定位算法或近似估计，来减轻检测的误差。针对不同的应用和设备，这三种算法有各自的优势和不足，因此，同时用一个或者更多以上的方法能得到更好的性能。A 三角测量三角测量用三角形的几何性质来预测目标的位置，有两个因素，推导和角度，通过检测物体与几个参考点的距离估计位置。所以，它也被称做范围检测技术。不同于远距离直接用接收到的信号强度，信号到达的时间，或者信号到达的不同时间这些通常被采用的。通过计算接收信号强度的衰减或者将无线电信号传播的速度与时间相乘得到距离。
8、在一些系统中往返飞行时间或者接收的信号相位差也能被应用于范围检测，通过处理物体与几个确定参考点的角关系得到物体的位置，在这个研究中，我们在短射程，低天线和室内环境专注上述的方法。1）静态技术：a）TOA：从移动的目标到检测单元的距离与传播时间成正比，为了能在二维空间定位，TOA 方法必须处理从至少三个不同的参考点的信号。对于基于 TOA 的系统，单向传播时间的检测，计算出检测单元和目标的距离。一般来说， TOA的直接结果有两个问题，首先所有的发射器和接收器必须精确得同步起来。第二，一个时间单元在传播的过程中必须被标识出来，以便接收单元检测信号传播的距离。一个简单的途径是用几何方法的计算出到达时
9、间组成的圆的交点，同样目标的位置能通过最小方差计算出来，它假定的初始位置为（X0，Y0),在时间为t0 发送信号，位于（X1，Y1)(X2，Y2)(X3，Y3),.,(Xn,Yn)分别在时间t1，t2，t3，.，tn，接收到信号，作为一个检测方法，这个公式能被被表示为：其中 i 指的是信号到达检测单元 i 的准确时间，F（x）可以用下面这样的方程表示。其中 c 指的是光速，这个方程由 1 到 N 的每个检测单元组成，选择初始x，t，y 是 F(x) 为零，然后目标位置能被 F(x)的最小值计算出。对于基于 TOA 的室内定位系统还有其它的算法，比如最邻近法，最小加权法。最邻近法通过基站和与使用
10、者最接近的参考点来估计使用者的位置，最小加权法基本能被概述为最小二乘算法的形式，它适用于 LOS,NLOS,和 LOS 与NLOS 的混合的情况。b）TDOA：它的基本思想是通过检测信号到达几个基站的时间上的差别，来确定移动端的相对位置。而不是相对于 TOA 的到达的绝对时间，对于每个TDOA 的测量，发射端必须位于两个检测端的构成的有稳定范围的双曲面上，这个双曲面的方程被给出为：， （xi，yi，zi）和（xj，yj，zj）分别表示固定接收器 i 和 j 的位置，同样的（x，y，z）表示目标的位置，除了通过非线性回归得到的上述 TDOA 的方程的精确解，一个更加简单的方法是通过用泰勒迭代使方
11、程线性化，并且建立一个线性算法。一个二维空间的目标位置能通过二个及以上 TDIA 检测法的交点计算出，如上图所示，在 A,B,C，三个组成的两个双曲线形成的交点，这个能定位目标P。计算 TDOA 模型的的一个方便方法是使用近似的技术。TODA 能被一对检测单元接收到的信号的交集计算出来，假如传播信号为 S（t） ，在检测单元 i接收到信号为 Xi（t） ，假设信号被噪音 ni（t）干扰并且延迟了 di，那么Xi（t）=s（t-di）+ni(t),相似的道理，当信号 Xj（t）=s（t-dj）+nj（t） ，到达检测单元 j 时，它延迟了时间 dj 并且被噪音 nj（t）干扰。相关函数能够被得到
12、通过计算出具有延迟时间 T 的滞后产物。TDOA 的计算是得到 Rx，xj（t） ，ie 的最大值。在误差范围内，这种方法要求精确的参考时间和参考信号，但是对移动的目标没有任何要求。通常使用频域技术处理 。除了以前的 TDOA 的方法，基于 TDOA 的延迟算法被提出，这个方法消除了初始方法中同步的要求。B 现场分析现场分析基于射频的场景分析指的是首先收集现场特征的算法这个类型，然后通过与网上检测到的相匹配最接近的先前确定的准确位置来估计当前对象的位置。基于 RSS 的准确位置被普遍应用于现场分析。精确定位指的是与定位所依靠的信号的准确性特征相匹配的技术。 这有两个阶段对于准确定位，离线阶段和
13、在线阶段，在离线阶段，现场分析在这个环境中执行，这个坐标位置，标志相对应的信号强度从最附近的基站，检测单元收集到的。在在线阶段，定位技术使用当前观测到的信号强度和先前收集的信息预测大概位置。基于现场分析的技术的最大挑战就是信号强度会受绕射，反射，散射这样的室内传播环境的影响。目前至少要有 5 个精确位置，基于这种模型识别技术的位置算法。可能的方法中，最相邻（KNN） ，神经网络，支持向量机，最小顶点多边形处理。B RFID我们 RFID 是一种通过电磁传播到兼容的集成电路来存储和检索数据的方法。现在被看做是提高数据处理能力的一种手段，一个 RFID 系统有几个基本的元件，他们包括一些阅读器，R
14、FID 标签，他们之间能有联系。RFID 阅读器能接收到RFID 标签发射出来的数据。RFID 阅读器和标签使用一个 RF 协议来保护传输和接收数据过程的安全。RFID 标签分为主动和被动两种。无源 RFID 标签运行时不需要电源，他们主要用于取代传统条形码技术并且更轻，体积更小，比有源标签更便宜，它们能将通过调制添加了信息的信号从阅读器传送出去，但是其范围是非常有限的，典型的阅读器是 1 到 2 米，阅读器的成本相对较高，无源 RFID 通常使用 4 个频段，低频 125KHZ 的，HF13.56 兆赫，UHF433,868-915 兆赫，和微波频率（2.45 千兆赫，5.8 千兆赫）Bewator 是一个著名的无源 RFID 制造者。有源的 RFID 是一个小型的发射器，能够主动的传送它们的 ID9(或其它附加信息）来响应需要。除了低频和高频范围，在正常范围内的使用相似于无源DFID，有源 RFID 的优势是只要更小的天线，更广的有效范围。有源标签非常适合高单位价值的产品的标识，移动设备通过苛刻的装配过程。众所周知的位置传感系统，使用 RFID 技术的是聚合算法，三维位置的检测是在信号强度分析的基础上，设计人员涉及并建造硬件服务，为对象的位置坐标志。位于同质传感器的对象没有中央控制，即是特设工作方式。
