1.3 无线定位系统的主要研究内容

目前，无线定位系统研究的热点主要集中在定位算法及性能评价、无线网络协议和无线定位系统相关技术三方面。

1.3.1 无线定位算法及性能评价

1.无线定位的基本原理

对移动台位置的估计通常需要两步：第一步，测量并估计TOA、TDOA、AOA或SS等参数；第二步，利用估计的参数，采用相应的定位算法计算出MS的位置。根据所用参数的不同，无线定位可分为三种方法：圆周定位、双曲线定位和方位角定位。

2.影响精度的因素

由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各种因素的影响，严重影响了定位精度。影响定位精度的主要因素包括：多径传播问题，非视距传播（NLOS）问题，CDMA多址接入干扰，以及参与定位的基站数的限制。

3.衡量定位算法的性能指标

除了通用的估计精度指标，如均方误差（MSE，Mean Square Error）、均方根误差（RMSE，Root Mean Square Error）、累积分布函数（CDF，Cumulative Distribution Function）等，针对定位技术领域对定位结果的评价，也有特殊的评价指标，如克拉美罗下界（CRLB，Cramer-Rao Lower Bound）、圆误差概率/球误差概率（CEP/SEP，Circular Error Probability/Spherical Error Probability）、几何精度因子（GDOP，Geometric Dilution of Precision）、相对定位误差（RPE，Relative Position Error）。

1.3.2 无线网络协议

无线网络协议主要是指IEEE802系列的协议，下面就WLAN家族成员逐个说明。

1.IEEE802.11a协议

IEEE802.11a协议是在1999年制定完成的，其主要工作在5 GHz的频率下，数据传输速率可以达到54 Mbps，传输距离为10～100 m；采用了OFDM（正交频分多路复用）调制技术，可以支持语音、数据、图像的传输，不过与IEEE802.11b协议不兼容。IEEE802.11a协议凭借传输速度快、受干扰比较少（使用5 GHz工作频率）的特点，也被应用于无线局域网。但是因为价格比较昂贵且向下不兼容，所以目前市场上并不普及。

2.IEEE802.11b协议

IEEE802.11b协议是由IEEE于1999年9月批准的，该协议的无线网络工作在2.4 GHz频率下，最大传输速率可达11 Mbps，可以实现在1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps及11 Mbps之间的自动切换；采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列展频技术），理论上在室内的最大传输距离可达100 m，室外可达300 m。目前，也称IEEE802.11b为Wi-Fi。IEEE802.11b协议凭借其价格低廉、高开放性的特点被广泛应用于无线局域网领域，是目前使用最多的无线局域网协议之一。在无线局域网中，IEEE802.11b协议主要支持Ad Hoc（点对点）和Infrastructure（基本结构）两种工作模式，前者可以在无线网卡之间实现无线连接，后者可以借助于无线 AP，让所有无线网卡与之无线连接。

3.IEEE802.11e协议

基于WLAN的QoS协议，通过IEEE802.11a/b/g协议能够进行VoIP。也就是说，IEEE802.11e是通过无线数据网实现语音通话功能的协议，将是无线数据网与传统移动通信网络进行竞争的强有力武器。

4.IEEE802.11g协议

IEEE802.11g协议于2003年6月正式推出，是在IEEE802.11b协议的基础上改进的协议，支持2.4 GHz工作频率及DSSS技术，并结合了IEEE802.11a协议高速的特点和OFDM技术。这样， IEEE802.11g协议既可以实现11 Mbps传输速率，保持对IEEE802.11b的兼容，又可以实现54 Mbps高传输速率。随着人们对无线局域网数据传输的要求，IEEE802.11g 协议也已经普及到无线局域网中，与 IEEE802.11b 协议的产品一起占据了无线局域网市场的大部分。部分加强型的IEEE802.11g产品已经步入无线百兆时代。

5.IEEE802.11h 协议

IEEE802.11h 是 IEEE802.11a 的扩展，目的是兼容其他 5 GHz 频段的标准，如欧盟使用的HyperLAN2。

6.IEEE802.11i协议

IEEE802.11i是新的无线数据网安全协议，已经普及的WEP协议中的漏洞将成为无线数据网络的一个安全隐患。IEEE802.11i提出了新的TKIP协议，来解决该安全问题。

7.IEEE802.11n协议

为了实现高带宽、高质量的WLAN服务，使无线局域网达到以太网的性能水平，IEEE802.11任务组N（TGn）应运而生。IEEE802.11n标准至2009年才得到IEEE的正式批准，但采用MIMO OFDM技术的厂商已经很多，包括D-Link、Airgo、Bermai、Broadcom及杰尔系统、Atheros、思科、Intel等，产品包括无线网卡、无线路由器等，而且已经在微机中大量应用。

8.WEP协议

WEP（Wired Equivalent Protocol，有线等效协议）是为了保证IEEE802.11b协议数据传输的安全性而推出的安全协议，可以通过对传输的数据进行加密，从而可以保证无线局域网中数据传输的安全性。目前，市场上一般的无线网络产品支持64/128位甚至256位WEP加密，未来还会普及WEP的改进版本——WEP2。在无线局域网中要使用WEP协议，如果使用了无线AP首先要启用WEP功能，并记下密钥，然后在每个无线客户端启用WEP并输入该密钥，这样就可以保证安全连接。

为了便于对比，我们给出几种常用无线网协议的主要参数，见表1-1。

1.3.3 无线定位系统相关技术

基于无线定位系统应用研究的问题很多，以室内定位系统为例，主要涉及以下几方面[2, 11]。

1.光跟踪

光跟踪技术要求所跟踪目标和探测器之间线性可视，从而限制了应用范围。在视频监视系统中，往往在环境中安装多台摄像设备，连接到一台或几台视频监控器上，对观察对象进行实时动态的监控，有的甚至可以进行必要的数据存储。光跟踪技术也被应用于机器人系统，通过红外线摄像机和红外线发光二极管的一系列协同配合，达到定位的目的。但是要实现高精度的光跟踪技术，配备要求比较复杂。

2.超声波定位

超声波定位系统由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各应答器之间的距离。当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。但是这类系统需要大量的底层硬件设施投资，成本太高，无法大面积推广。

3.射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）

典型的RFID系统包括：读卡器（Reader）、电子标签（Tag）、主机（Host）及数据库。当系统要进行物体识别工作时，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，会传回含有自身种类识别码标志、制造商标志的识别资料给Reader，最后传回主机进行识别与管理。RFID 系统用活性参考标签 Tag 替代离线数据采集，其动态参考信息能够实时捕捉环境变化，提高定位精度和可信度。活性参考标签Tag的应用免去了每个测试点数百次的人工数据采集，能更好地适应室内环境的波动，提高定位精度。

4.蓝牙技术

蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点的话音和数据业务。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，就可以获得用户的位置信息，实现蓝牙技术定位的目的。采用蓝牙技术进行室内短距离定位，优点是容易发现设备，且信号传输不受视距的影响，缺点是目前蓝牙设备比较昂贵。

5.传感器融合技术

现在有很多定位系统，如何能够在这个基础上得到单个系统不能达到的定位精度？这就需要传感器融合。例如，如果把几个基于不同误差分布的系统结合起来，就能获得更高的定位精度，它们之间的关联性越小，所获得的效果可能越明显。举一个具体的应用例子，机器人的定位，包括超声波、激光及摄像头，使用传感器融合组合定位，机器人运用和统计技术与多遥控设备配合来达到传感器融合。这些技术对普适计算中的定位系统有很大的参考意义。

6.Ad Hoc定位感知技术

Ad Hoc 在网络方面研究的贡献就是不用关注基础设施和控制这样的方式来实现定位。在一个纯粹的定位系统中，所有的移动台都是网络的节点。通过和附近的移动台交互测量数据来补偿测量的方式，一组Ad Hoc终端就趋向于精确定位附近的所有节点的位置。这一组终端里面，每个节点都能得到自己与其他节点的相对位置，其中一些节点的绝对位置可以知道，那么所有的节点都能借此计算自己的绝对位置。三角定位法、场景分析、近邻定位法是室内定位采用的主要技术方式。Ad Hoc系统采用廉价的定位标签，每个标签可以感知无线信号的衰减程度来估计彼此之间的距离。