無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合的定位方式

1、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大作業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合的定位方式 作者：呂卿 網(wǎng)絡(luò)1101班 2011923342013/12/16目錄無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合的定位方式1無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合的定位方式2摘要：2背景：21. 定位信息的獲取與處理22 定位算法數(shù)學(xué)模型33.現(xiàn)存的室內(nèi)定位系統(tǒng)55.參考文獻(xiàn)8無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合的定位方式作者：呂卿摘要： 該論文目的是用一種全新的定位方式彌補(bǔ)GPS，北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)在民用定位領(lǐng)域已經(jīng)室內(nèi)定位方面的不靈活以及作用面狹窄的缺點(diǎn)。該定位方式通過從互聯(lián)網(wǎng)上獲取與所需位置相關(guān)的信息來匹配并進(jìn)行間接定位。通過使用大數(shù)據(jù)庫以及云計(jì)算技術(shù)來從互聯(lián)網(wǎng)上獲取信

2、息并進(jìn)行篩選與整合。該定位方式能夠有效幫助使用者在沒有確切位置信息的情況下獲得其希望獲得的位置信息。這有效彌補(bǔ)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的被動(dòng)性。背景： 隨著無線技術(shù)的廣泛推廣，越來越多的用戶可以隨時(shí)隨地訪問網(wǎng)絡(luò)資源，人們對(duì)基于位置信息服務(wù)的需求增多，無線定位技術(shù)得到越來越多的研究者的關(guān)注。現(xiàn)在的無線定位技術(shù)仍舊是以衛(wèi)星定位技術(shù)為主。但越來越多調(diào)查表明，在很多民用領(lǐng)域衛(wèi)星定位系統(tǒng)并不非常適用。比如：如果我們?cè)诮淌抑邢胍@得某位教師的位置信息，我們無法調(diào)動(dòng)衛(wèi)星為我們服務(wù)。還有很多類似的例子。民用領(lǐng)域衛(wèi)星定位仍舊以導(dǎo)航與確定自身位置為主流。有鑒于此，我想到了構(gòu)建一個(gè)能夠獲得他人或者某些特定位置的位置定位方式。

3、當(dāng)然，我所構(gòu)建的定位方式的基礎(chǔ)是，互聯(lián)網(wǎng)信息的共享以及可獲取，以及手機(jī)等移動(dòng)可定位終端的普及與使用。相較于室外，室內(nèi)環(huán)境更為復(fù)雜，室內(nèi)有著各種干擾因素。例如氣壓，噪聲，其他的的無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào). 1. 定位信息的獲取與處理 我們正在步入“大數(shù)據(jù)”時(shí)代?；ヂ?lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)是信息技術(shù)發(fā)展催生出來的?；ヂ?lián)網(wǎng)能夠方便、準(zhǔn)確地記錄用戶相關(guān)數(shù)據(jù)，引領(lǐng)世界進(jìn)入數(shù)據(jù)爆炸時(shí)代?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展大大加快了數(shù)據(jù)積累速度，而且產(chǎn)生了大量的半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，這也促進(jìn)了相關(guān)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)也是大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域之一，比如搜索引擎的技術(shù)基礎(chǔ)就是基于大數(shù)據(jù)分析的算法設(shè)計(jì)。而我們的定位方式同樣是基于

4、互連網(wǎng)和大數(shù)據(jù)。1.1.移動(dòng)終端與社交網(wǎng)絡(luò) 社交網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展大大拓深了數(shù)據(jù)的維度和容量。它已經(jīng)不僅僅是一個(gè)交友與聊天的平臺(tái)。例如現(xiàn)在的人人網(wǎng)的一項(xiàng)功能，它能夠即時(shí)的獲取在線用戶的具體位置信息。類似的騰訊QQ也開通了類似功能。還有更多的社交類網(wǎng)站與軟件均附帶有定位功能。隨著時(shí)間的推移，移動(dòng)終端如手機(jī)，Pad的普及不是問題。這也就意味著，在未來每一個(gè)人的位置信息都可以認(rèn)為是可獲取的。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，社交網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛。試想一下如下場(chǎng)面：當(dāng)你在餐館吃飯時(shí)，在窗外恰好出現(xiàn)一個(gè)清新靚麗的美女，你的第一反應(yīng)是什么？拿出手機(jī)拍張照片，上傳到你的博客或者人人，發(fā)一句感慨，一聲贊美。那么街上的行人

5、同樣看到了那個(gè)美女，他們是不是也會(huì)像你一樣拍一張照片上傳到他的博客或人人上呢。.這就是我們獲取信息的來源。每一個(gè)移動(dòng)終端都是我們的眼睛，通過他們我們可以看到每一個(gè)角落，尋找到每一處位置。這個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)中的所有信息都是我們的信息來源。而我們要做的就是將這些信息進(jìn)行整合處理，然后與我們所需要的信息進(jìn)行匹配。最后，我們將獲得我們想要的位置信息。這就不得不提到我們下文要講的云計(jì)算技術(shù)了。它將是我們進(jìn)行信息處理與篩選的關(guān)鍵。1.2.云計(jì)算通過從社交網(wǎng)絡(luò)中收集信息，我們將獲得無數(shù)的信息，通過一般手段我們是無法處理的。這時(shí)我們需要將信息放到云上。云存儲(chǔ)是在云計(jì)算概念上延伸和發(fā)展出來的一個(gè)新的概念，是指通過集群

6、應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能的一個(gè)系統(tǒng)。 當(dāng)云計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)算和處理的核心是大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理時(shí)，云計(jì)算系統(tǒng)中就需要配置大量的存儲(chǔ)設(shè)備，那么云計(jì)算系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成為一個(gè)云存儲(chǔ)系統(tǒng)，所以云存儲(chǔ)是一個(gè)以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理為核心的云計(jì)算系統(tǒng)。并行計(jì)算集群完成數(shù)據(jù)的處理，再將處理的結(jié)果返回給我們。2 定位算法數(shù)學(xué)模型隨著IPS在計(jì)算系統(tǒng)中的需求加強(qiáng)，許多無線技術(shù)被應(yīng)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)當(dāng)中。IR，RFID，WLAN，UWB，每種技術(shù)有他獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。 有四種技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)位置估計(jì)：三角測(cè)量，指紋識(shí)別，距離和遠(yuǎn)景分

7、析。三角測(cè)量，指紋識(shí)別，視圖分析能夠給書詳細(xì)的，相關(guān)的和鄰近的定位信息。而距離定位技術(shù)僅能給出近似位置信息。基于幾何性質(zhì)的三角定位算法，可以使用三種計(jì)算位置，即信號(hào)強(qiáng)度RSS，入射角AOA，到達(dá)時(shí)間TOA。如圖，三個(gè)點(diǎn)A，B，C坐標(biāo)已知，E1確切位置坐標(biāo)可以通過使用長(zhǎng)度或方向R1，R2，R3來計(jì)算。每種定位方法有他自己的優(yōu)點(diǎn)和限制。TOA是最準(zhǔn)確的技術(shù)，它可以避免室內(nèi)環(huán)境下的多路徑影響。RSS和TOA需要知道至少三個(gè)參考元素。AOA只需要兩個(gè)位置測(cè)量元素便能夠進(jìn)行位置測(cè)量。但是AOA方法在目標(biāo)比較遠(yuǎn)的時(shí)候會(huì)有一些錯(cuò)誤。 指紋驗(yàn)證用于提高室內(nèi)定位的測(cè)量準(zhǔn)確性。指紋驗(yàn)證包含兩個(gè)階段：離線訓(xùn)練階段和

8、在線定位階段。在離線階段，在定位估計(jì)位置中的有用的位置數(shù)據(jù)被收集處理。在在線定位階段，一個(gè)目標(biāo)的位置相關(guān)數(shù)據(jù)被和離線階段預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來獲得一個(gè)相似的估計(jì)值。如圖三個(gè)接入點(diǎn)不固定在一個(gè)25m*25m的區(qū)域中的不同位置上。一個(gè)筆記本電腦裝備WLAN卡在這個(gè)區(qū)域中的不同樣本點(diǎn)上移動(dòng)，記錄并測(cè)量三個(gè)固定接入點(diǎn)APs上接收到的信號(hào)的強(qiáng)度。這些預(yù)處理的信號(hào)強(qiáng)度被記錄下來作為指紋地圖?；谶@一區(qū)域的指紋地圖，IPS使用最鄰近鄰居定位算法來定位目標(biāo)。 鄰近位置傳感技術(shù)考察了目標(biāo)關(guān)于定位區(qū)域的位置關(guān)系。如圖E2，E3是跟蹤目標(biāo)。通過E2,E3是否在區(qū)域D中定位他們。然而鄰近位置傳感技術(shù)不能給出確切和相關(guān)

9、的位置信息。例如，定位區(qū)域可以是一個(gè)房間，這樣，便能夠準(zhǔn)確的定位出追蹤目標(biāo)是否在屋中。 視覺分析定位方式是通過在定位區(qū)域內(nèi)按放相機(jī)，監(jiān)控器等來覆蓋監(jiān)控區(qū)域。 定位技術(shù)的準(zhǔn)確性依賴于定位數(shù)據(jù)是否包含錯(cuò)誤信息。 3.現(xiàn)存的室內(nèi)定位系統(tǒng) 由于，本論文所介紹的定位方法是基于將個(gè)人移動(dòng)終端作為一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)AP，并結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)所提供的信息，以便進(jìn)行室內(nèi)定位。因此，這一節(jié)我們將介紹一系列不同的室內(nèi)定位系統(tǒng)。室內(nèi)定位系統(tǒng)IPS中的定位技術(shù)和技巧將被特別強(qiáng)調(diào)。A. 紅外定位系統(tǒng) 紅外定位系統(tǒng)是現(xiàn)在最常用的定位系統(tǒng)，因?yàn)榧t外技術(shù)在不同的無線設(shè)備上應(yīng)用廣泛。一個(gè)紅外定位系統(tǒng)能夠提供絕對(duì)位置估計(jì)。這需要在信號(hào)發(fā)射方接收

10、方間有視線交流并且沒有強(qiáng)光源干擾。 電子識(shí)別卡：電子識(shí)別卡系統(tǒng)采用發(fā)散紅外技術(shù)來刺激位置傳感器。通過估計(jì)人身上攜帶的電子識(shí)別卡來估計(jì)認(rèn)得位置信息。在偵測(cè)區(qū)域內(nèi)，卑職一個(gè)或多個(gè)傳感器來偵測(cè)這種紅外信號(hào)。 盡管電子識(shí)別卡和紅外傳感器很便宜，但是點(diǎn)來連接傳感器提高了電子識(shí)別系統(tǒng)的價(jià)格。而且紅外信號(hào)的作用范圍只有幾米，在一個(gè)區(qū)域中往往要布置大量的傳感器，且紅外信號(hào)易受到光線影響，因此點(diǎn)子識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)被關(guān)閉。 螢火蟲系統(tǒng)：螢火蟲系統(tǒng)通過定位安裝在物體上的發(fā)射紅外線的小標(biāo)簽來定位他的位置。3-D的位置信息可以用來跟蹤移動(dòng)的物體。 關(guān)于紅外定位系統(tǒng)的總結(jié)：紅外系統(tǒng)進(jìn)行定位估算非常準(zhǔn)確。紅外發(fā)射器也非常輕便小

11、巧。然而，紅外定位系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在安全和隱私問題。同時(shí)，紅外信號(hào)極易受到干擾。如果改用電子濾波器來抵擋干擾光源將會(huì)提高成本。B.超聲定位系統(tǒng) 超聲波信號(hào)是另一個(gè)位置測(cè)量方法。這一節(jié)，我們將介紹幾個(gè)超聲波定位系統(tǒng)。Active Bat：Active Bat定位系統(tǒng)采用超聲波技術(shù)和三角測(cè)量定位技術(shù)來測(cè)量攜帶跟蹤標(biāo)記的人。標(biāo)記周期性的廣播一個(gè)超聲波短脈沖。這個(gè)超聲波短脈沖被接收端接收。標(biāo)記和接受者之間的距離可以通過超聲波計(jì)算。在測(cè)試該系統(tǒng)時(shí)，720個(gè)接收器布置在天花板上，75個(gè)標(biāo)記可以被追蹤并且準(zhǔn)確度為3cm準(zhǔn)確率為95%。在維護(hù)階段，每個(gè)標(biāo)記的電量由中央控制器監(jiān)控。然而這一技術(shù)的效果受到標(biāo)記和接收

12、器之間的障礙的影響。C.無線電頻率（RF）定位系統(tǒng)無線電技術(shù)應(yīng)用到IPSs有如下優(yōu)點(diǎn)。無線電波可以更容易穿透強(qiáng)和人體。這樣定位系統(tǒng)能夠覆蓋更大的范圍并且需要更少的硬件。三角定位和指紋技術(shù)廣泛用于無線電頻率定位系統(tǒng)。1） 射頻識(shí)別（RFID）：RFID是一種通過電磁傳輸來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索的方法。RFID作為無線技術(shù)使得個(gè)人和設(shè)備的識(shí)別變得更加便宜和流暢。有兩種射頻識(shí)別技術(shù)，被動(dòng)RFID和主動(dòng)RFID。被動(dòng)RFID中，跟蹤標(biāo)記是接收器，但是標(biāo)記的覆蓋范圍很小。主動(dòng)RFID標(biāo)記時(shí)發(fā)射器，它們主動(dòng)發(fā)射它們的識(shí)別信息，但價(jià)格很貴。 WhereNet：WhereNet 定位系統(tǒng)支持室內(nèi)室外實(shí)時(shí)定位。Wh

13、ereNet IPS使用了RFID技術(shù)來識(shí)別不同的定位單元。WhereNet IPS使用DTOA算法來計(jì)算這些標(biāo)記的位置。WhereNet IPS 絕對(duì)的位置信息。 WhereNet Real Time Locating System(RTLS) 包含下列部分：標(biāo)記，天線位置，定位處理器，服務(wù)器，Where Port固定在不同的位置發(fā)送低頻電子信號(hào)給標(biāo)記。RFID技術(shù)不僅用于室內(nèi)定位應(yīng)用，也為用戶需求提供潛在服務(wù)。RFID定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是輕便小巧。然而，距離和絕對(duì)定位技術(shù)需要多種底層架構(gòu)安裝。 2）WLAN：WLAN技術(shù)是目前流行的并且已經(jīng)被應(yīng)用到公共區(qū)。以現(xiàn)存的WLAN下層架構(gòu)為基礎(chǔ)的基于W

14、LAN的定位系統(tǒng)是低花費(fèi)的?；赪LAN信號(hào)強(qiáng)度的位置估算準(zhǔn)確性受到室內(nèi)環(huán)境影響。 RADAR：RADAR使用了WLAN技術(shù)。它使用了信號(hào)強(qiáng)度和信噪比結(jié)合三角測(cè)量技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，3個(gè)PC作為APs并且一個(gè)筆記本電腦作為追蹤目標(biāo)。在一層樓上做測(cè)試。這三個(gè)APs測(cè)量從目標(biāo)發(fā)出的RF信號(hào)強(qiáng)度。這些測(cè)量結(jié)果用來計(jì)算目標(biāo)的2-D位置。RADAR系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是利用現(xiàn)有的WLAN底層架構(gòu)，他不需要很多的基站來進(jìn)行位置信息感應(yīng)。缺點(diǎn)是這一技術(shù)不適合輕重量電量有限的設(shè)備。 Ekahau：這一定位系統(tǒng)使用現(xiàn)有WLAN架構(gòu)持續(xù)監(jiān)控WiFi設(shè)備和標(biāo)記的動(dòng)作。在不同的APs上收到的RF信號(hào)用來據(jù)頂目標(biāo)的方位。Ek

15、ahau系統(tǒng)包含三部分：現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，Wifi位置標(biāo)記，定位引擎。APs接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由WLAN傳到定位引擎，結(jié)合信號(hào)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè) 由定位引擎計(jì)算出WIfi位置標(biāo)記在地圖上的額位置。如果有三個(gè)火更多的APs的話，定位精度可以到1m。 3）藍(lán)牙：是IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)。他的作用范圍是100m。藍(lán)牙具有低費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。目前藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)被植入到很多設(shè)備中，例如手機(jī)，筆記本電腦.各種各樣的藍(lán)牙集群組成了定位系統(tǒng)的底層構(gòu)造。藍(lán)牙移動(dòng)設(shè)備的位置可以通過同一個(gè)藍(lán)牙集群中的其他移動(dòng)終端來確定。Topaz：Topaz定位系統(tǒng)使用藍(lán)牙技術(shù)來進(jìn)行室內(nèi)定位。通過使用藍(lán)牙技術(shù)，該定位系統(tǒng)能夠提供一個(gè)誤差范圍2m的2

16、-D定位信息，這是不足以在一個(gè)多障礙環(huán)境下提供房間級(jí)精度的定位信息。Topaz定位系統(tǒng)結(jié)合了藍(lán)牙基礎(chǔ)定位系統(tǒng)和紅外定位技術(shù)。在這一系統(tǒng)中，標(biāo)記被多個(gè)固定在不同地點(diǎn)的藍(lán)牙和紅外接入點(diǎn)定位。藍(lán)牙服務(wù)器收到信號(hào)強(qiáng)度并將數(shù)據(jù)傳到定位服務(wù)器，藍(lán)牙服務(wù)器和定位服務(wù)器以及客戶機(jī)通過局域網(wǎng)相連。通過藍(lán)牙技術(shù)和紅外技術(shù)的結(jié)合，目標(biāo)設(shè)備能夠被定位到正確的房間。然而使用電池的標(biāo)記需要定期充電。并且計(jì)算位置的延遲比較高。藍(lán)牙定位技術(shù)的總結(jié)：藍(lán)牙定位技術(shù)可以依托于已經(jīng)廣泛使用的藍(lán)牙技術(shù)。這使得該定位技術(shù)低功耗，低花銷。然而缺點(diǎn)是定位精度比較差并且延遲比較高。 4）傳感器網(wǎng)絡(luò)：傳感器是暴露在物理環(huán)境中感應(yīng)周圍環(huán)境（如聲，

17、光，壓力.）的設(shè)備。傳感器一般分為兩種：主動(dòng)傳感器和被動(dòng)傳感器。主動(dòng)傳感器和環(huán)境聯(lián)系像radars。被動(dòng)傳感器僅僅接收外部環(huán)境中的信息。 在線個(gè)人追蹤（OPT）系統(tǒng)：OPT是通過在室內(nèi)環(huán)境中布置大量的傳感器（T-mote）建立的低花銷的定位系統(tǒng)。這些傳感器通過利用RSSI來測(cè)量發(fā)射傳感器和接收傳感器之間的距離。并且基于這些距離，使用三角定位技術(shù)和加權(quán)平均算法。OPT系統(tǒng)中基于三個(gè)火更多傳感器的RSSI值進(jìn)行三角測(cè)量。目標(biāo)攜帶一個(gè)T-mote傳感器，他周圍的T-mote傳感器收到信號(hào)兵將數(shù)據(jù)傳到基站或數(shù)據(jù)處理中心?；緦⑺奈恢贸尸F(xiàn)在地圖上。基于傳感器的定位總結(jié)：傳感器定位系統(tǒng)是劃算的而且方便的

18、定位系統(tǒng)。然而便宜小巧的傳感器限制了計(jì)算處理能力和電量。 4.結(jié)論 本論文中所闡述的多種定位方式都有各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也都有一定的局限性，所以在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)該將他們進(jìn)行有效的結(jié)合同時(shí)結(jié)合本文所闡述的通過社交網(wǎng)絡(luò)等方式獲取背景信息。在下一代通信網(wǎng)絡(luò)中，通信應(yīng)用要求多種多樣的環(huán)境，人和設(shè)備的背景信息來在私人網(wǎng)絡(luò)中提供流暢以及可獲得的服務(wù)。一個(gè)私人網(wǎng)絡(luò)專注于用戶的需求以使他的在不同地點(diǎn)的且在不同網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)入一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)并且提供私人的以用戶為中心的解決方案。在這篇文章中，我們描述了現(xiàn)存的室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPSs）的概念并且介紹了室外定位系統(tǒng)的基本信息。然后我們基于主要的感知定位方法將17種現(xiàn)存

19、的IPSs分成6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。我們描述了系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，并討論了每個(gè)IPS的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)。通過這個(gè)調(diào)查，每種定位方法有他自己的限制。將一些定位技術(shù)結(jié)合起來能夠提高定位服務(wù)的質(zhì)量。既然人們?cè)谌粘Ｉ钪杏兄承┐_定的習(xí)慣和遵循的常規(guī)，那么用戶的位置信息可以基于這些以往的位置信息進(jìn)行預(yù)測(cè)。更進(jìn)一步，位置預(yù)測(cè)可以和像用戶喜好，時(shí)間，天氣等結(jié)合起來進(jìn)行預(yù)測(cè)。IPS的設(shè)計(jì)應(yīng)該確保對(duì)在不斷變化的環(huán)境中的移動(dòng)的目標(biāo)有最適宜的表現(xiàn)。因此，位置測(cè)量裝置和位置預(yù)測(cè)等相關(guān)信息需要被結(jié)合起來來增強(qiáng)定位系統(tǒng)中獲取信息的智能性。 最近一些正在進(jìn)行的研究試圖提高IPSs的表現(xiàn)。這些項(xiàng)目的目的主要是增強(qiáng)定位的準(zhǔn)確度并縮減定位和追蹤系統(tǒng)的花費(fèi)。 5.參考文獻(xiàn) An indoor Bluetooth-based positioning system: concep