體域網(wǎng)室內(nèi)定位和家居網(wǎng)

1、第11章 無線體域網(wǎng)、室內(nèi)定位和家居網(wǎng)金光,江先亮無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press2本章內(nèi)容簡介無線體域網(wǎng)無線室內(nèi)定位 無線家居網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press3無線體域網(wǎng)l融合人與人、人與物、物與物之間的現(xiàn)實物理空間與抽象信息空間，向無所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)(Ubiquitous Network)方向發(fā)展l作為泛在網(wǎng)的重要分支，無線體域網(wǎng)(Wirele

2、ss Body Area Network，WBAN)在遠程診斷、醫(yī)療保健、社區(qū)醫(yī)療、特殊人群監(jiān)護等領(lǐng)域應(yīng)用有巨大需求，將幫助解決人口老齡化引起的醫(yī)療和社會難題，提高醫(yī)療行業(yè)效能。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press4無線體域網(wǎng)簡介lWBAN通常是小型或微型無線網(wǎng)絡(luò)，由附于身體或植入體內(nèi)的微型智能設(shè)備組成。l設(shè)備可提供持續(xù)健康監(jiān)測和實時反饋信息，并長期記錄和分析。lWBAN潛在市場非常大，可為病人、老人、行動不便者、嬰幼兒等提供日常護理和醫(yī)療。l借助WBAN，醫(yī)院、家甚至移動

3、中，都可持續(xù)檢測病人體征參數(shù)。而且長時間病人在自然環(huán)境中測得的數(shù)據(jù)，比短時間在醫(yī)院現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)更反映實際。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press5WBAN病人監(jiān)控示意無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press6WBAN的組成l傳感器節(jié)點：對物理刺激作出響應(yīng)并收集數(shù)據(jù)，適當處理和傳輸數(shù)據(jù)。組成包括傳感器硬件、能量單元、處理器、存儲器和收發(fā)器等。l執(zhí)行器節(jié)點：根據(jù)接

4、收或來自用戶接口的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)。組成包括執(zhí)行(如藥物管理)硬件、能量單元、處理器、存儲器和收發(fā)器。l個人設(shè)備：負責收集傳感器和執(zhí)行器信息，通過外部途徑(執(zhí)行器或LED屏)通知用戶(病人或護士)。組成包括能量單元、處理器、存儲器和收發(fā)器?？蔀樯眢w控制單元、身體網(wǎng)關(guān)或匯聚器，實際可用PDA或智能手機。l節(jié)點數(shù)量：受制于網(wǎng)絡(luò)特性，一般2050無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press7WBAN的數(shù)據(jù)率要求l具體應(yīng)用多樣性使數(shù)據(jù)率范圍較大，簡單數(shù)據(jù)幾kbps，視頻數(shù)據(jù)流幾Mbps。l不同應(yīng)

5、用數(shù)據(jù)率通過采樣率、測量范圍和精度計算，見下表。如一個WBAN中有多個設(shè)備，如幾十個微傳感器，監(jiān)測心電圖、肌電圖、血糖等設(shè)備，總體數(shù)據(jù)率可能較高。l數(shù)據(jù)傳輸可靠性應(yīng)考慮誤碼率(BER)，通常低數(shù)據(jù)率設(shè)備能承受相對高誤碼率(10-4)，而高速率設(shè)備則要求較低誤碼率(10-10)。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press8無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press9WBA

6、N的能耗要求l能耗主要用于感知、無線通信和數(shù)據(jù)處理，無線通信一般能耗最大。各節(jié)點可用功率通常受限，電池決定傳感器尺寸和重量。如電池縮小必減小設(shè)備功耗。某些應(yīng)用中，傳感器或執(zhí)行器需考慮幾個月甚至幾年電池供電，如起搏器或血糖檢測儀一般5年以上。植入設(shè)備工作壽命非常關(guān)鍵，頻繁更換或充電不可行。l節(jié)點壽命也可通過能量回流來增強。如回流能量大于消耗值，節(jié)點可永久運行，但實際能量回流只收集小部分能量。WBAN能量回流源自體溫和身體振動，前者利用熱發(fā)電裝置將環(huán)境和人體溫差轉(zhuǎn)化為電能。l通信中會產(chǎn)生熱量，并被人體組織吸收，體溫升高。為限制體溫升高和節(jié)能，功耗應(yīng)盡量低。人體組織吸收的能量可通過特定吸收率(SAR

7、)測算，局部SAR值可能很高，體內(nèi)局部SAR須最小化。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press10WBAN的QoS和可靠性要求lQoS(服務(wù)質(zhì)量)是醫(yī)療應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，關(guān)鍵是傳輸可靠性，確保醫(yī)護人員正確接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)。l可靠性可從端到端或各鏈路等多方面考慮，包括數(shù)據(jù)保證傳輸、按序傳輸、適時傳輸?shù)?。網(wǎng)絡(luò)可靠性直接影響病人監(jiān)護質(zhì)量，如發(fā)生威脅生命事件而未及時傳輸數(shù)據(jù)，后果不堪設(shè)想。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版),

8、 Tsinghua University Press11WBAN的可用性l良好自組織、自維護性。一個節(jié)點在身體上開啟時，應(yīng)無需外部干預(yù)即能加入網(wǎng)絡(luò)并建立路由。自組織也包括節(jié)點尋址，地址在制造或安裝時自動配置。增加新服務(wù)時網(wǎng)絡(luò)可快速重構(gòu)，某路徑中斷，立即建立備用路徑。l設(shè)備可分散在全身上下，具體依用途而定，如心臟傳感器置于心臟附近，溫度傳感器置于體內(nèi)較多部位。運動傳感器測量數(shù)據(jù)多動態(tài)，此時身體處于運動狀態(tài)，如走路、跑步、轉(zhuǎn)動等，會引發(fā)信道衰減和陰影效應(yīng)。l節(jié)點可穿戴性和可植入性，使WBAN較隱蔽。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版

9、), Tsinghua University Press12WBAN的安全和隱私l健康信息屬于隱私和機密，一般應(yīng)加密。l醫(yī)護人員收集數(shù)據(jù)時需確信數(shù)據(jù)未被篡改，一般不允許普通人員設(shè)置和管理相應(yīng)的驗證和授權(quán)進程。l安全和隱私保護機制會消耗一定能量，節(jié)能和輕巧格外重要。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press13WBAN的關(guān)鍵技術(shù)lWBAN的物理層lWBAN的MAC層lWBAN的網(wǎng)絡(luò)層lWBAN的跨層設(shè)計lWBAN的QoSlWBAN的安全性無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & J

10、iang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press14WBAN的物理層關(guān)鍵技術(shù)l人體影響使WBAN物理層特性有別于常規(guī)WSN或Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。l胸部和背部傳感器通信會受限制，而當傳輸功率因節(jié)能而設(shè)置最小時，影響尤其明顯。l類似情況還有人坐在沙發(fā)上，胸部和腳踝的傳感器間通信會中斷。當天線置于身體表面1cm以上時，情況有所改善。l設(shè)備越來越小，設(shè)備間直接連接不再可行，需更復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Pres

11、s15射頻通信l人體附近和內(nèi)部，無線信號有較大衰減。通常無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸功率根據(jù)d衰減，d為傳輸距離，為路徑衰減率。自由空間中值為2，其它衰減包括信號多徑衰減。分體內(nèi)和體表。 l體內(nèi)傳播。人體信道衰減主要來自于人體組織對能量的吸收，熱損耗。人體組織大部分由水組成，電磁波到達接收端時衰減較多。為確定熱損耗能量可使用特定吸收率(SAR)。人體路徑損耗高于自由空間，短距離即達3035dB。SAR會導致溫度升高，人體組織對此極為敏感無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press16射頻通信l體

12、表傳播，許多WBAN設(shè)備附于人體上。人體周圍傳播分為LOS和NLOS兩類。LOS場景可在虛擬平面或身體一側(cè)進行實驗，而不考慮身體曲率影響。NLOS場景中則需測算從身前到身后或側(cè)面?zhèn)鞑バЧ?。l路徑衰減率在34之間，且和設(shè)備位置有關(guān)，手臂上路徑衰減小于身體軀干。原因是軀干體積更大導致高吸收率，軀干表面不如伸展手臂平坦。天線高度有影響，天線越靠近人體，衰減越大。天線置于體內(nèi)5mm5cm間的路徑衰減差異達20dB。傳感器和天線越來越小，天線越來越貼近身體，會造成更大衰減。l非視距情況下，電磁波在身體周圍衍射，而非直接穿過身體。約在56之間，原因是衍射和大量輻射會被身體吸收。兩耳間鏈路傳播幾乎最差，從頭

13、一側(cè)到另一側(cè)傳播也受較大反射和衰減影響。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press17沿軀干視距路徑損耗和軀干周圍非視距路徑損耗 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press18身體運動l對接收信號強度有較大影響。手臂在身前和體側(cè)活動影響較小，當手臂運動阻斷了兩天線間視距傳播時，影響會增大。l步態(tài)測試表明，身體軀干運動至發(fā)送和接收天線之間時，最大衰減可達20dB。而身體軀

14、干運動造成的衰減最多可達30dB或更高，當傳感器和868MHz個人設(shè)備通信時，人體運動可能導致50%損耗。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press19非射頻通信l電容和電耦合，即通過人體耦合通信(BCC)來傳輸數(shù)據(jù)的可能性。l無線電工作在很低頻段(10k10MHz)。在身體不同位置，信號傳輸衰減有很大變化。電耦合使傳感器在胸腔和短距離手臂上通信成為可能，技術(shù)可用于兩個人體間數(shù)據(jù)交換。如OsteoConduct系統(tǒng)通過人體肌肉骨骼系統(tǒng)實現(xiàn)低功率、無干擾的數(shù)據(jù)傳輸，但初始系統(tǒng)僅很低數(shù)

15、據(jù)率(5bps)。BCC方法可進一步應(yīng)用于WBAN的自舉，由于限制于體內(nèi)，可作為發(fā)現(xiàn)和識別位于同一體內(nèi)的傳感器節(jié)點和喚醒處于低功耗睡眠模式的RF類型節(jié)點。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press20WBAN的MAC層l適用WBAN的MAC層協(xié)議還不多。鑒于WBAN和WSN相似，可利用WSN的一些MAC層協(xié)議，分競爭和調(diào)度兩類。前者如CSMA/CA，后者如TDMA。l競爭方法簡捷、結(jié)構(gòu)自由、自組織，低負荷時對流量波動適應(yīng)性強，常通過控制功率和無線電工作周期來減少功耗。l調(diào)度方法無

16、介質(zhì)競爭，不受監(jiān)聽空閑、數(shù)據(jù)包沖突等限制，但要求嚴格時間同步。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press21IEEE 802.15.4協(xié)議lTimmons方案使用2.4GHz頻率，極低數(shù)據(jù)率的星型網(wǎng)絡(luò)，包含10個體內(nèi)傳感器，每小時發(fā)送數(shù)據(jù)140次。每個節(jié)點上幀大小和保證時隙(GTS)使用，重點考慮設(shè)備長時間功耗。醫(yī)療傳感網(wǎng)絡(luò)配置到具有不對稱流量的低速率非信標模式時，IEEE 802.15.4提供有限應(yīng)答。lBSN-MAC方案，協(xié)調(diào)器通過可變802.15.4超幀結(jié)構(gòu)來控制通信。時間分

17、空閑和競爭期，傳感器通過具體應(yīng)用和傳感信息為協(xié)調(diào)器提供實時反饋。反饋協(xié)調(diào)器動態(tài)調(diào)整空閑和競爭期長度，更有效能量利用和等待時間。lIEEE 802.15.4的QoS對功耗方面可擴展性不佳，不滿足更多應(yīng)用需求，還需設(shè)計專用MAC層協(xié)議。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press22WBAN專用協(xié)議l新的WBAN專用MAC協(xié)議，使用主從式結(jié)構(gòu)避免空閑監(jiān)聽。所有從裝備鎖定在主裝備接收時隙，并同時待命。不足是有些從裝備會有很低工作周期，而隨后服務(wù)節(jié)點會有更大的工作周期。該協(xié)議將時間分為幀，每

18、幀內(nèi)僅一個節(jié)點允許傳輸，調(diào)度采用最早截止時間優(yōu)先。l星型WBAN網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，支持TDMA以減少沖突概率和空閑監(jiān)聽。各從節(jié)點由中心主節(jié)點分配時隙，某節(jié)點發(fā)生緊急情況，可通過額外分配時隙直接通信。另一個H-MAC協(xié)議通過人體心跳節(jié)奏而不用開啟傳感器的無線電，實現(xiàn)TDMA時間同步，該協(xié)議僅適于星型拓撲。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press23IEEE 802.15.6協(xié)議l為適應(yīng)WBAN領(lǐng)域的研究進展和產(chǎn)業(yè)潛力，IEEE 802.15.6工作組于2007年成立l針對身體(不限于

19、人)上面、內(nèi)部或周圍的低功耗設(shè)備和操作，研發(fā)通信協(xié)議標準，提供多樣化應(yīng)用，包括醫(yī)療、消費電子、個人娛樂和其它產(chǎn)品。l2008年，IEEE 802.15.6發(fā)布了物理層和MAC層的建議書，得到廣泛回應(yīng)和關(guān)注。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press24WBAN的網(wǎng)絡(luò)層l無線環(huán)境特殊性使WBAN有效路由協(xié)議成為難點。首先，可用帶寬有限且共享，還受衰減、噪聲和干擾影響，因此協(xié)議控制信息數(shù)量受限制。其次，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可用能量或計算能力呈現(xiàn)多樣化特征。lAd hoc網(wǎng)絡(luò)和WSN研究都致力于高效

20、節(jié)能路由，但大多數(shù)不適于WBAN。如WSN最大吞吐量和最小路由開銷比最小能耗更重要，而節(jié)能型Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議僅考慮終端用最小能量資源消耗發(fā)現(xiàn)路由，而忽略了如操作(測量、數(shù)據(jù)處理、內(nèi)存訪問)次數(shù)、鏈路傳輸、接收一個有用比特等所需能量。l大多數(shù)WSN協(xié)議只考慮同種傳感器和多對一通信模式，多數(shù)情況下網(wǎng)絡(luò)靜止。但WBAN運動特征明顯，傳感器和執(zhí)行器通信對移動設(shè)備有嚴格實時要求，因此需要特定的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。l下面的路由策略分為溫度和分簇兩類。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press25溫

21、度路由 lWBAN需考慮輻射吸收和身體熱效應(yīng)。為降低升溫，需限制功率或使用流量控制，如速率控制來降低生物效應(yīng)。另一思路是平衡節(jié)點間通信，如熱感知路由算法(TARA)，引導數(shù)據(jù)避開高溫區(qū)域即熱點。包避開熱點，通過備選路徑重建路由。TARA缺點是網(wǎng)絡(luò)壽命短、丟包率高、可靠性不足，被改進為最低溫度路由(LTR)和自適應(yīng)最低溫度路由(ALTR)，通過包中保存最近訪問過節(jié)點以減少不必要跳數(shù)和回路。如已達預(yù)定跳數(shù)，為降低能耗，ALTR將切換到最短路徑。l下圖為LTR和ALTR協(xié)議示例。白色箭頭為LTR路徑，陰影箭頭為ALTR路徑，L和H分別為低溫和高溫節(jié)點。一般路由選擇低溫節(jié)點，當路徑達3跳時，路由切換到

22、最短路徑，即需經(jīng)過一個高溫節(jié)點。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press26溫度路由示意圖無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press27分簇路由 lANYBODY是典型數(shù)據(jù)收集協(xié)議，分簇減少到遠距離基站的直接傳輸。l規(guī)定時間間隙內(nèi)隨機選擇簇頭以擴散能耗l簇頭收集所有數(shù)據(jù)并發(fā)給基站，但假設(shè)所有節(jié)點都在基站傳輸范圍內(nèi)。能量利用率和可靠性需進一步研究。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 ht

23、tp:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press28WBAN的跨層設(shè)計 l跨層設(shè)計有關(guān)WBAN的研究相對較少。l有研究提出IEEE 802.15.4的跨層節(jié)能多跳協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)劃分為時區(qū)，節(jié)點輪流傳輸。最遠節(jié)點開始發(fā)送數(shù)據(jù)，接下來最遠靠前一個節(jié)點發(fā)送，如此往復(fù)，直至匯聚點。該協(xié)議節(jié)點壽命幾乎達常規(guī)IEEE 802.15.4的兩倍，適于WBAN。lCICADA采用數(shù)據(jù)采集樹，分布式時隙分配。其靈活性得以保證，丟包率低，休眠率高。支持兩路通信，數(shù)據(jù)聚集和工作周期可進一步提高網(wǎng)絡(luò)壽命。l另一思路就是完全丟棄層結(jié)構(gòu)，使用

24、不同功能模塊，并易于改變。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press29WBAN的QoS lAd hoc網(wǎng)絡(luò)已有QoS解決方案，通常為可供電大功率設(shè)備設(shè)計，也有一些適合WSN的方案，主要關(guān)注于某些QoS特性，如可靠性、時延、定義或保留帶寬。對于WBAN，已有的QoS研究成果不多。l有研究評估CICADA方案穩(wěn)定性，提出附加機制如隨機性和監(jiān)聽兄弟節(jié)點發(fā)送的控制信息，進一步提高穩(wěn)定性。BodyQoS解決了WBAN應(yīng)用的3個特殊挑戰(zhàn)：使用大部分處理都位于中心設(shè)備的非對稱結(jié)構(gòu)；開發(fā)虛擬MA

25、C以支持廣泛的不同類型MAC協(xié)議；使用自適應(yīng)資源調(diào)度策略，實現(xiàn)靜態(tài)帶寬保證和可靠數(shù)據(jù)通信。l關(guān)注QoS會影響功耗。如為實現(xiàn)較低丟包率，需增大傳輸功率，即增大功耗。因此，需考慮功耗和系統(tǒng)預(yù)期可靠性間的折中。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press30WBAN的安全性IlWBAN中健康信息的通信，將涉及數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)認證、數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)更新程度等安全問題。l數(shù)據(jù)保密性意味信息嚴格保密且只供已授權(quán)者(如主治醫(yī)生)訪問?？稍谛畔l(fā)送前加密實現(xiàn)，對稱和非對稱密鑰均可。l數(shù)據(jù)認證可確保信

26、息源自于發(fā)送方，可使用共享密鑰的消息認證碼(MAC)技術(shù)。l數(shù)據(jù)一致性確保收到信息未篡改，通過驗證MAC進行。l數(shù)據(jù)更新保證收到數(shù)據(jù)最新，而非可能混亂的重傳舊信息，一個技術(shù)是計數(shù)器，隨發(fā)送數(shù)據(jù)每次增加。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press31WBAN的安全性IIlWSN保密機制一般不能直接用于WBAN，WBAN設(shè)計保密架構(gòu)時要考慮特定功能。l人體傳感器的數(shù)量和不同傳感器間距離通常都很有限，WBAN的傳感器處在人本身監(jiān)視下。意味著攻擊者想不被發(fā)現(xiàn)情況下物理訪問節(jié)點較困難。lWB

27、AN設(shè)計保密協(xié)議時需考慮上述特性，以利用有限資源定義最優(yōu)方案。提供完備安全性對WBAN應(yīng)用很重要，支持安全架構(gòu)關(guān)鍵一環(huán)是密鑰管理。保密性和隱私保護將消耗較多能量和資源，應(yīng)盡量節(jié)能和小巧。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press32WBAN安全性IIIl有研究提出一種數(shù)據(jù)一致性和數(shù)據(jù)更新方案，測量允許往返時延閾值，認證環(huán)節(jié)使用隨機序列計算MAC實現(xiàn)，序列由初始相位確定。有研究在CICADA方案中加入安全，即CICADA-S，同時解決傳感器壽命周期問題。l另一密鑰管理方案使用生物統(tǒng)計

28、學，根據(jù)個體生理或行為特性變化進行自動識別。如基于生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)的算法，可應(yīng)用于個人設(shè)備和所有節(jié)點間傳輸，保證可靠性、機密性和集成性。有研究利用心跳產(chǎn)生密鑰。l身體耦合通信(BCC) 限于身體，認證身體上新傳感器。lWBAN須重視隱私問題，社會接受程度有關(guān)鍵影響。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press33WBAN應(yīng)用示例IlOtto等人設(shè)計系統(tǒng)處理多層次電子醫(yī)療系統(tǒng)中WBAN內(nèi)、WBAN和醫(yī)療服務(wù)器間的通信。傳感器和匯聚節(jié)點間為單跳/時隙通信，使用ZigBee或藍牙，時隙通過匯

29、聚節(jié)點周期性發(fā)送信標實現(xiàn)同步。使用WSN設(shè)計Tmote sky平臺。lTmote sky在WBAN快速災(zāi)難應(yīng)對方案CodeBlue中應(yīng)用。一個可穿戴設(shè)備即Tmote sky微粒，貼在病人手腕，利用便攜式PC形成一個Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。項目開發(fā)了無線雙導心電圖、無線血氧傳感器、無線肌電圖等。lAyushman等人面向醫(yī)療監(jiān)護設(shè)施的傳感網(wǎng)絡(luò)，實時收集、查詢、分析病人的健康信息。無線心電圖、步態(tài)檢測和環(huán)境監(jiān)測利用現(xiàn)成傳感器和收發(fā)器，還配備用于遠程客戶查詢數(shù)據(jù)的軟件。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua Univers

30、ity Press34WBAN應(yīng)用示例IIlHuman+實現(xiàn)高度小型化、自治傳感系統(tǒng)，使人能攜帶自身BAN?？梢苿有碾妶D/腦電圖系統(tǒng)工作于2.4GHz，2節(jié)5號電池運行3個月。更好自治，利用熱發(fā)電裝置(TEG)能量回流，完全依賴病人心跳為動力的無線脈搏血氧計，下一步考慮實現(xiàn)超低功率傳輸。l歐洲MobiHealth項目設(shè)計移動病人監(jiān)護端到端mHealth平臺，借助UMTS和GPRS網(wǎng)絡(luò)。病人或用戶裝備傳感器，持續(xù)監(jiān)控血壓、心率、心電圖等生命信號。傳感器和個人設(shè)備間通過藍牙和ZigBee通信，單跳網(wǎng)絡(luò)。l法國BANET項目定位于較廣范圍WBAN應(yīng)用消費電子產(chǎn)品、醫(yī)療和體育領(lǐng)域。具體研究包括傳播信道

31、、MAC層協(xié)議、WBAN與其它無線網(wǎng)絡(luò)共存等。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press35WBAN應(yīng)用示例IIIl德國BASUMA(普適多媒體應(yīng)用體域系統(tǒng))項目開發(fā)一個WBAN的完整平臺，使用UWB前端和IEEE802.15.3的MAC協(xié)議。將時間幀劃分為競爭空閑(使用時隙)和競爭訪問期(CSMA/CA)。l有研究開發(fā)適于大范圍應(yīng)用的靈活節(jié)能WBASN方案，實現(xiàn)姿勢和活動識別應(yīng)用，傳感器是WiMoCA節(jié)點，可通過三軸微機電系統(tǒng)加速計實現(xiàn)。lIBBT IM3(交互式移動醫(yī)療監(jiān)控)項

32、目主要關(guān)注可穿戴醫(yī)療監(jiān)護的研究和實現(xiàn)。WBAN收集病人數(shù)據(jù)，由可穿戴中心設(shè)備進行分析。如探測到重要情況(心率異常)，信號被發(fā)給保健醫(yī)生，遠程觀察和分析病人數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press36無線室內(nèi)定位l室內(nèi)定位系統(tǒng)(Indoors Position System, IPS) lGPS、北斗等衛(wèi)星導航提供室外大范圍定位，車輛配備導航設(shè)備可有效使用定位功能，提供基于位置的服務(wù)，如導航、旅行等。l但衛(wèi)星導航不能用于室內(nèi)，一個原因是室內(nèi)環(huán)境中的接收器和衛(wèi)星不能進行視距傳輸

33、。l相比室外環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境更復(fù)雜，墻壁、設(shè)備、人等各種不同障礙，會影響電磁波傳播，導致多徑效應(yīng)。其它有線或無線網(wǎng)絡(luò)的干擾和噪聲也會減弱定位準確性，建筑物形狀、對象移動性和大氣條件等都會導致多徑和環(huán)境影響。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press37室內(nèi)定位應(yīng)用需求l醫(yī)院需部署室內(nèi)跟蹤系統(tǒng)，幫助患者在復(fù)雜環(huán)境中有效利用醫(yī)療資源。較大公共區(qū)域如航站樓、地鐵站、體育中心、會展中心、大型商場等，室內(nèi)導航系統(tǒng)可幫助指引方位。家庭和辦公室中，室內(nèi)定位可實現(xiàn)各種智能家居服務(wù)。l室內(nèi)定位信息作為

34、重要環(huán)境感知智能服務(wù)，有效消除不斷動態(tài)變化室內(nèi)環(huán)境的不確定性，使人們行動更便捷。l用戶在許多場合可能不希望被追蹤，注意用戶隱私。l室內(nèi)定位系統(tǒng)通常針對個人網(wǎng)絡(luò)而言，具體涉及各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如WPAN、WLAN、WSN、蜂窩通信等。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press38室內(nèi)定位系統(tǒng)IPS定義l可定義為一個連續(xù)、實時、可確定物體或個人在物理空間內(nèi)位置的系統(tǒng)，將持續(xù)工作，提供目標的更新位置信息，覆蓋設(shè)定區(qū)域。IPS可為用戶定位應(yīng)用提供各種位置信息，包括絕對位置、相對位置和近似位

35、置信息。l計算位置前，通常需保存相關(guān)室內(nèi)場所的地圖信息，幫助測量并展示目標位置。基于有效地圖覆蓋范圍的精確位置可由室內(nèi)定位追蹤和導航系統(tǒng)提供，追蹤和導航服務(wù)信息需目標精確定位。相對位置信息則主要測量目標不同部分的相對移動，如車門是否關(guān)閉。另一種近似位置信息，如醫(yī)院監(jiān)控和追蹤應(yīng)用，僅需確定病人所在房間信息，可判斷病人是否進入正確的房間。l位置感知計算系統(tǒng)架構(gòu)，自底向上包括位置感知系統(tǒng)、軟件位置抽象、基于位置的應(yīng)用。位置感知系統(tǒng)層中的不同定位技術(shù)可測量用戶和設(shè)備位置。軟件位置抽象層將位置感知系統(tǒng)層報告的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成需表達方式，可產(chǎn)生目標位置信息的標準形式，為地標數(shù)據(jù)庫提供服務(wù)。導航和地理廣告等基于位

36、置的應(yīng)用，都在最高層實現(xiàn)，可利用底層測量和計算出的位置上下文信息。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press39室內(nèi)定位系統(tǒng)技術(shù)方案l紅外線(IR)、超聲波、RFID、無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍牙、無線傳感網(wǎng)(WSN)、超寬帶(UWB)、磁信號、視覺分析、可聽聲音等。l大部分屬于無線網(wǎng)絡(luò)范疇。它們各有優(yōu)勢，也存在自身的限制。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press40

37、無線室內(nèi)定位測量技術(shù)無線室內(nèi)定位測量技術(shù) l室內(nèi)定位測量目前主要包括三角(或三邊)測量、指紋識別、近似和視覺分析等。l三角測量、指紋識別和視覺分析均可提供絕對、相對和近似的定位信息，而近似定位只能提供近似的位置信息。l具體的IPS可利用一種或多種測量技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press41三角測量和三邊測量 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press42三邊

38、測量定位 l如果3個節(jié)點A、B、C坐標已知，可利用半徑da、db、dc的長度或方向計算出目標節(jié)點D位置。l簡單介紹三邊測量的計算過程，而三角測量與三邊測量類似，不同是前者需在三邊測量計算前利用已知節(jié)點與未知節(jié)點的角度，計算經(jīng)過未知節(jié)點和任意兩個已知節(jié)點所構(gòu)成圓的中心位置，然后利用構(gòu)成3個圓的中心點位置，通過三邊測量計算未知節(jié)點位置。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press43三邊測量定位計算l已知A、B、C節(jié)點坐標為(xa, ya)、(xb, yb)、(xc, yc)，且已知節(jié)

39、點和目標節(jié)點D的距離為da、db、dc。假設(shè)D坐標為(x, y)，則可得到下式：l 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press44三邊測量定位計算l對上式進行展開和合并，可得到下式，可計算D的坐標(x, y)：l已知節(jié)點與未知節(jié)點間距離，需具體根據(jù)接收信號強度(RSS)、到達角度(AOA)、到達時間(TOA)等確定。lTOA計算精確，可過濾室內(nèi)環(huán)境多徑影響，但較難部署。RSS和TOA需已知至少3節(jié)點位置。AOA僅需2個節(jié)點就能測算位置。但目標距離很遠時，AOA精度較低。無線網(wǎng)絡(luò)教學

40、平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press45指紋識別 l通過預(yù)測量的位置相關(guān)數(shù)據(jù)來提高精度，具體包括離線訓練和在線測定兩階段。l離線階段對區(qū)域各點的相關(guān)位置數(shù)據(jù)進行測量和收集。l在線測定階段則對目標測得位置相關(guān)數(shù)據(jù)與離線階段收集的預(yù)測量數(shù)據(jù)進行比較和尋找。l以WiFi定位系統(tǒng)為例，下圖(a)中3個AP固定在25m*25m區(qū)域的不同地方。離線階段，使用筆記本PC在不同采樣點測量收集不同AP的WiFi信號強度，制成不同AP指紋識別地圖。圖(b)為該區(qū)域中不同采樣點接收來自AP1的信號強度。在線測

41、定階段中，根據(jù)區(qū)域指紋地圖，通過K最近鄰居分類(KNN)算法定位目標。KNN基本思想是：如果一個樣本S在特征空間中K個最鄰近樣本中的大多數(shù)屬于某一類，則S也屬于該類。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press46WiFi指紋識別定位 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press47近似定位 l近似位置感知檢查已知位置或區(qū)域的目標物體位置，需在已知位置處安裝檢測器。l當目標

42、被檢測器追蹤到，目標位置會被認為在檢測器標記的近似區(qū)域內(nèi)。l近似位置感知技術(shù)不像其它定位技術(shù)能計算絕對或相對位置，但可用來如確定追蹤目標是否在某個房間中。l下圖中，E2和E3是追蹤目標，虛線框矩形為檢測器D的近似區(qū)域。通過監(jiān)視E2和E3是否在近似區(qū)域中，可進行近似定位。易知目標E2在D區(qū)域中，E3不在。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press48近似定位系統(tǒng)示例無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghu

43、a University Press49視覺分析定位 l主要依靠一點或多點的圖像信息。l區(qū)域中有一個或多個攝像頭拍攝實時圖像，從圖像中可識別目標，在預(yù)處理數(shù)據(jù)庫查找目標的觀察圖像，進行比較和定位。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press50室內(nèi)定位系統(tǒng)的評價標準室內(nèi)定位系統(tǒng)的評價標準Il(1)安全和隱私：用戶希望掌控其個人位置信息和歷史，并在乎是否有人追蹤自己?？刂莆恢眯畔⑹褂煤头植伎筛倪MIPS隱私。自我定位類型的IPS提供更高安全和隱私保護，因為在目標自身設(shè)備中進行定位計算，

44、其他人無法獲知。l(2)成本：基礎(chǔ)設(shè)施部件、用戶自身的定位設(shè)備、系統(tǒng)安裝和維護等。IPS可利用現(xiàn)有設(shè)施如WLAN，經(jīng)濟實用。自我定位類型的設(shè)備有較好的隱私保護功能，但自身需負責計算，成本相對更高。另一些如基于傳感器的定位系統(tǒng)，需在室內(nèi)不同地方部署很多傳感器，安裝維護復(fù)雜。時間成本如系統(tǒng)安裝時間和錯誤導致系統(tǒng)故障時間，空間成本如基礎(chǔ)設(shè)施部件和設(shè)備占用大小和位置。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press51室內(nèi)定位系統(tǒng)的評價標準室內(nèi)定位系統(tǒng)的評價標準IIl(3)性能：精確度、準確率、

45、時延、可擴展性等指標。精確度表示平均誤差距離；準確率則為位置測量的成功概率；時延指測量、計算、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等時延，需考慮目標可能快速移動，以及室內(nèi)環(huán)境動態(tài)變化；可擴展性指給定時間內(nèi)一個IPS使用一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施能進行定位的目標物體數(shù)量。l(4)魯棒性和容錯：即使一些設(shè)備故障，或移動設(shè)備電力不足，一個魯棒的IPS仍應(yīng)能運行。傳感器定位系統(tǒng)中，如一些傳感器失竊，定位系統(tǒng)仍應(yīng)能提供位置信息，當然準確率會降低。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press52室內(nèi)定位系統(tǒng)的評價標準室內(nèi)定位系統(tǒng)的

46、評價標準IIIl(5)復(fù)雜性：一方面緣于IPS部署和維護活動。另一方面體現(xiàn)在用戶定位設(shè)備要求的計算時間，由于CPU處理能力和移動設(shè)備電池容量有限，需要更低的計算復(fù)雜度。而大型空間使用定位系統(tǒng)則要求對不斷增長的工作區(qū)域有可擴展性，如大型建筑中不應(yīng)包含太多基礎(chǔ)設(shè)施和耗時的安裝維護。如目標數(shù)量很多，應(yīng)有能力同時定位。l(6)用戶喜好：用戶對被追蹤設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和軟件的需求?？紤]舒適性，設(shè)備應(yīng)是無線、小型、輕便、低功耗，可提供快速、準確和實時定位服務(wù)。如可利用易攜帶的RFID標簽，基礎(chǔ)設(shè)施部件和軟件應(yīng)易學易用。l(7)局限性：一是位置感知使用的介質(zhì)，如WLAN定位系統(tǒng)可重利用現(xiàn)有設(shè)施，降低成本，但會出

47、現(xiàn)多徑和反射效應(yīng)，導致差錯。二是定位系統(tǒng)范圍，一些定位系統(tǒng)只覆蓋小范圍，對大區(qū)域則難以擴展。三是定位系統(tǒng)可能會影響其它無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press53基于無線射頻的室內(nèi)定位應(yīng)用系統(tǒng) lRFID定位系統(tǒng) lWLAN定位系統(tǒng) l藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng) l無線傳感網(wǎng)室內(nèi)定位系統(tǒng) lUWB室內(nèi)定位系統(tǒng) l蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua Universi

48、ty Press54RFID定位系統(tǒng)定位系統(tǒng) lRFID定位系統(tǒng)常用于辦公室、醫(yī)院等復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，個人或設(shè)備的識別過程靈活、廉價。lWhereNet啟用規(guī)模巨大的有源RFID實時定位系統(tǒng)，有效跟蹤鹿特丹碼頭Broekman集團物流終點站的40000輛貨車。是RFID定位的典型實例，支持室內(nèi)室外實時定位，RFID標簽可安裝于目標物體如設(shè)備或人員上。系統(tǒng)使用較復(fù)雜的微分到達時間(DTOA)算法來計算標簽位置，能生成絕對位置信息。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press55應(yīng)用RFI

49、D的WhereNet定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press56WLAN定位系統(tǒng)定位系統(tǒng) l利用已有設(shè)施，降低成本。l根據(jù)WLAN信號強度來計算位置的準確性受室內(nèi)環(huán)境中很多因素影響，如人體運動和方向、AP重疊、墻壁、門窗等。l定位性能并不很準確，大多僅幾米精度。l如果目標用戶數(shù)量顯著增加，定位計算中使用存儲信息和指紋技術(shù)會很復(fù)雜。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua Universi

50、ty Press57應(yīng)用WiFi的Ekahau定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press58藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng) l各種藍牙簇作為定位基礎(chǔ)設(shè)施。l藍牙移動設(shè)備的位置被在同一簇中的其它終端確定。lTopaz系統(tǒng)使用藍牙在室內(nèi)環(huán)境中定位標簽，提供約2m誤差的二維位置，在多障礙室內(nèi)環(huán)境中，還達不到房間級的精度。l系統(tǒng)結(jié)合了藍牙與紅外技術(shù)。紅外線無法穿透墻壁，可提供房間級的精度。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實

51、驗(第2版), Tsinghua University Press59Topaz藍牙定位系統(tǒng)示意圖 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press60無線傳感網(wǎng)室內(nèi)定位系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)室內(nèi)定位系統(tǒng) l在線人員跟蹤系統(tǒng)(OPT)在室內(nèi)環(huán)境固定位置處大量部署傳感器。l使用價廉小巧的Tmote傳感器，利用RSSI來測量發(fā)送和接收傳感器間的距離。根據(jù)距離，使用加權(quán)最小均方誤差(W-MMSE)的三邊測量定位算法。l系統(tǒng)如下圖所示，使用3個或更多傳感器測量。系統(tǒng)追蹤攜帶Tmote傳感器的目標節(jié)點，周

52、邊多個Tmote接收來自目標節(jié)點的信號并測量RSSI值。然后通過WSN將數(shù)據(jù)發(fā)給應(yīng)用軟件，計算目標位置。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press61應(yīng)用無線傳感網(wǎng)的OPT定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press62UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng) l通常RF定位會受室內(nèi)墻壁反射導致信號多徑失真。無線超寬帶(UWB)脈沖在短時間(1ns)內(nèi)可過濾原信號的反射信

53、號，從而提高精度。lUWB無視距要求、無多徑失真、接口更少、穿透能力高，但價格昂貴。lUbisense系統(tǒng)利用到達時間差(TDOA)和AOA，靈活測定位置。墻壁和門窗等復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境不會明顯影響其性能，系統(tǒng)精度約幾十cm。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press63Ubisense系統(tǒng)l5個標簽(左)和4個傳感器(右)無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press64蜂窩

54、移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位 l利用2G或3G移動通信系統(tǒng)提供定位服務(wù)。l2G數(shù)據(jù)傳輸能力較弱，能提供的定位服務(wù)有限。3G數(shù)據(jù)傳輸能力較強，可提供較高質(zhì)量的定位服務(wù)。l3G定位典型系統(tǒng)是GPSONE，結(jié)合了無線輔助GPS和高級前向鏈路三角定位算法，收集測量當前的3G網(wǎng)絡(luò)信息和GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，組合這些數(shù)據(jù)進行三維定位。定位區(qū)域可在大型建筑物內(nèi)部或樓群間，定位精度可達5-50m。lGPSONE需在3G手機內(nèi)增加GPS接收模塊，并改造手機天線，同時在移動網(wǎng)絡(luò)上增加位置服務(wù)器、差分GPS基準站、天線陣列等設(shè)備。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：

55、原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press65使用其它技術(shù)的無線室內(nèi)定位系統(tǒng) l紅外線(IR)定位系統(tǒng) l超聲波定位系統(tǒng) l磁信號定位 l基于視覺的定位系統(tǒng) l聲音定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press66紅外線紅外線(IR)定位系統(tǒng)定位系統(tǒng) l可提供絕對定位測量，需發(fā)送方和接收方間無強光源干擾的視距通信。l定位準確，發(fā)射器小巧。架構(gòu)簡單，便于安裝維護。但紅外線會受熒光和日光干擾，需光學和電子過濾器來排除干擾，或設(shè)置干擾信號消除算

56、法。相機陣列成本較高，且為有線連接。紅外線不能穿透不透明材料如衣物。l下圖中，系統(tǒng)包含標簽控制器、標簽和相機陣列。標簽控制器由被追蹤者攜帶，約425g，自帶電池。比硬幣還小的標簽是紅外線發(fā)射器，安裝在人體不同部位。約1m高的3個相機接收標簽信號，并測量其三維位置。約3mm的高精確度，定位測量時延約3ms。標簽控制器和標簽小巧易攜，但包含電線，不適合日常生活。系統(tǒng)僅在正常光線環(huán)境中運行，覆蓋范圍限于7m，視角區(qū)域為4040，不適合大型場所。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press6

57、7Firefly紅外線定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press68超聲波定位系統(tǒng)超聲波定位系統(tǒng) l蝙蝠利用超聲波信號在夜間進行導航，啟發(fā)了超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計。lActive Bat系統(tǒng)可提供被追蹤標簽的三維定位和定向信息。標簽周期性發(fā)送短脈沖超聲波，由安裝在天花板的矩陣接收器接收，見下圖。標簽和接收器間距離可通過超聲波TOA方法測量。標簽體積為cm，標簽?zāi)芰縼碜?5個月續(xù)航期的3.6v鋰電池。720個接收器散布在天花板上，覆蓋1000m2面積，可追蹤

58、75個標簽，95%的測量精度約3cm。l不足是受標簽和接收器間的反射和障礙物影響，會降低準確度。每個房間天花板上部署大量傳感器非常麻煩，可擴展性不佳。接收器需準確放置，安裝維護復(fù)雜和高成本。還受反射超聲波和其它噪聲源如金屬等干擾。 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press69Active Bat超聲波定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press70磁信號定位磁

59、信號定位 l無線MotionStar系統(tǒng)使用脈沖直流磁場定位3m內(nèi)傳感器。安裝在人體不同部位的大量傳感器，提供精確人體運動跟蹤。同時追蹤傳感器多達120個。發(fā)射器和控制器發(fā)送磁脈沖給人體傳感器，人體特定部位的傳感器接收發(fā)射器和控制器的磁脈沖。傳感器連接人體RF發(fā)射器，RF發(fā)射器最多連接20個傳感器，將數(shù)據(jù)發(fā)給基站。基站計算傳感器位置和方向，將數(shù)據(jù)傳給用戶計算機。l靜態(tài)位置測量誤差約1cm，位置測量更新率高達120次/s。人體傳感器約2.542.542.03cm，重約21g，發(fā)射器為17.5144.54cm，重約1kg。l系統(tǒng)價格較貴，連續(xù)運動跟蹤的電池壽命約12小時，只適于短時定位測量。受定位

60、區(qū)域中金屬物體的影響，發(fā)射器覆蓋范圍限于3m，不適于大型公共室內(nèi)環(huán)境。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press71基于視覺的定位系統(tǒng)基于視覺的定位系統(tǒng) l視覺定位不需要目標攜帶設(shè)備。如Easy Living系統(tǒng)實現(xiàn)了多角度基于視覺的定位，用兩部三維立體視覺相機覆蓋測量區(qū)域。位置計算結(jié)合圖像顏色和深度，提供位置感知和目標識別服務(wù)，可跟蹤人運動，記錄人位置。使用已保存的位置信息。l視覺定位系統(tǒng)成本低，不足在于：不能提供對象的隱私保護；動態(tài)變化環(huán)境中系統(tǒng)不可靠，因為測算需根據(jù)數(shù)據(jù)庫中保存的視覺信息，需隨環(huán)境而變化；會受天氣、光線等干擾源影響，如開關(guān)燈；同時跟蹤多個移動人員困難，需更高計算能力。無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press72聲音定位系統(tǒng)聲音定位系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡(luò)教學平臺 http:/ & Jiang, 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程：原理、應(yīng)用與實驗(第2版), Tsinghua University Press73無線家居網(wǎng) l無線家庭自動化網(wǎng)絡(luò)(Wireless Home Automation Networks，WH