《基于WLAN的位置指紋室內(nèi)定位技術》以基于位置的服務（LBS）為背景，圍繞如何降低RSS信號的隨機性這一關鍵問題，對基于WLAN指紋定位的定位區(qū)域聚類、AP選擇以及RSS信號定位特征提取等主要內(nèi)容進行了重點闡述�！痘赪LAN的位置指紋室內(nèi)定位技術》共6章，第1～2章介紹了位置服務與定位技術的發(fā)展和現(xiàn)狀，第3章詳細介紹了基于WLAN的位置指紋的定位理論，第4章詳細闡述在AP密集分布的較大室內(nèi)環(huán)境下RSS信號的分布特點，第5章重點闡述RSS信號的AP選擇和特征提取技術，第6章則詳細介紹了RSS信號的聚類算法和基于機器學習的室內(nèi)定位方法。
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《基于WLAN的位置指紋室內(nèi)定位技術》可供從事室內(nèi)定位技術研究的科研院所、設計部門、生產(chǎn)企業(yè)的技術人員參考，也適合高等學校通信工程、網(wǎng)絡工程及信息管理與信息系統(tǒng)等相關專業(yè)的師生使用。
目錄
《智能科學技術著作叢書》序序
前言
第1章 引言 1
1.1 位置信息服務 1
1.2 LBS定位技術的發(fā)展 3
1.3 定位技術的新挑戰(zhàn) 5
本章小結 6
第2章 位置服務與定位技術 7
2.1 定位技術的發(fā)展 7
2.2 無線局域網(wǎng)與室內(nèi)定位 10
2.3 LBS的發(fā)展及應用 12
2.3.1 LBS的發(fā)展 12
2.3.2 LBS的應用 15
2.4 基于WLAN的室內(nèi)定位技術 16
2.5 典型的室內(nèi)定位系統(tǒng) 20
2.5.1 早期的室內(nèi)定位系統(tǒng) 20
2.5.2 基于WLAN位置指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng) 21
本章小結 23
第3章 位置指紋和WLAN定位理論 24
3.1 WLAN室內(nèi)定位技術 24
3.1.1 WLAN基本工作原理 24
3.1.2 基本定位方法 26
3.2 位置指紋定位技術 30
3.2.1 WLAN指紋定位基本工作原理 30
3.2.2 位置指紋數(shù)據(jù)庫 32
3.2.3 位置指紋定位算法 36
本章小結 42
第4章 基于IDGD模型的定位算法 43
4.1 RSS的統(tǒng)計分布特性 44
4.1.1 RSS與位置匹配的關系 44
4.1.2 人對RSS的影響 44
4.1.3 接收器朝向?qū)SS的影響 48
4.1.4 樣本數(shù)量對RSS的影響 50
4.2 基于IDGD模型的室內(nèi)定位算法 54
4.2.1 RSS分布特征 54
4.2.2 雙峰高斯模型 56
4.2.3 基于IDGD的室內(nèi)定位算法 57
4.3 實驗結果與分析 58
本章小結 60
第5章 RSS信號預處理 61
5.1 成分分析與核函數(shù) 62
5.1.1 Mercer定理 63
5.1.2 基于核的Fisher判別分析 64
5.1.3 核直接判別分析法(KI>LDA) 65
5.2 基于信息增益權重的AP選擇算法 67
5.2.1 信息增益權重準則 68
5.2.2 信息增益計算 69
5.3 聯(lián)合核直接判別和AP選擇的定位算法 70
5.4 實驗結果與分析 71
5.4.1 AP選擇算法分析 72
5.4.2 特征選擇算法分析 77
本章小結 80
第6章 基于機器學習的室內(nèi)定位算法 81
6.1 聚類算法的研究現(xiàn)狀 81
6.2 白化的RSS信號是k-means聚類算法 82
6.2.1 數(shù)據(jù)預處理 85
6.2.2 參數(shù)設定 86
6.3 基于白化RSS信號的k-means聚類與SVR學習定位算法 86
6.4 實驗結果與分析 89
6.4.1 聚類算法分析 89
6.4.2 SVR定位參數(shù)分析 93
6.4.3 算法復雜度分析 97
6.4.4 機器學習算法定位性能 98
本章小結 100
參考文獻 101
第1章引言
“我在哪里？”這是一個由古至今人們一直在問的問題。清晨醒來，我知道自己在×××路×××號；工作的時候，我知道自己在浙江師范大學信息大樓308房間 位置信息對于每一個人來說都是非常重要的，在我們的日常生活中不難發(fā)現(xiàn)很多這方面的案例：
下午5點，孩子還沒有放學回家，父母會因為不知道孩子在哪里而擔心。
緊急救援時，求救者會被問到他（她）在哪里。
在旅游地的游客會不停地拿著手機翻看電子地圖，確定自己在哪里、該如何到達下一目的地。
在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，一個人要到自己不太熟悉的地方購物，需要事先找人反復打聽。即使這樣，恐怕還要做很多準備工作，例如，找地圖、找商場、找路線；翻閱報紙、雜志尋找各種商品信息；關注餐廳的廣告，查找附近的餐廳
但到了信息時代，情況發(fā)生了改變。只要連上互聯(lián)網(wǎng)，輸入人們想知道的內(nèi)容，通過搜索引擎就能解決問題。是什么使人們的任務變得如此輕松了呢？隱藏在琳瑯滿目的自動化服務背后的是一個共同的信息――位置。因此，充分利用網(wǎng)絡資源隨時了解“人”或“物”的位置信息，這正在深刻地改變著人們的生產(chǎn)和生活方式，給人們帶來極大的便利。
1.1位置信息服務
位置信息可以說是最重要的信息之一。在軍事上，地理因素經(jīng)常對戰(zhàn)局起著關鍵性的作用；在日常生活中，位置信息也有著重要的作用。位置信息不僅僅是空間信息，具體而言，包括三大因素：所在的地理位置、處在該地理位置的時間、處在該地理位置的對象（人或設備）。也就是說，位置信息承載了“空間”、“時間”、“人物”三大關鍵信息，其內(nèi)涵可謂十分豐富。利用這些信息，不僅可以“因地制宜”，提供所在地附近的相關服務，還可以“見機行事”，提供時效性更佳的服務，更可以“因人而異”，提供個性化的定制服務。
位置信息如此重要，如何獲取位置信息就理所當然地成為了互聯(lián)網(wǎng)時代的一個重要研究課題。從20世紀90年代開始，基于位置的服務（location-based services，LBS）逐步進入人們的視線。LBS指通過適當?shù)亩ㄎ患夹g獲得移動終端的空間物理位置信息，將位置信息提供給用戶本人、通信系統(tǒng)或第三方，從而實現(xiàn)與位置有關的各種業(yè)務。通過LBS，不僅可以知道移動終端所處的空間或位置，而且能夠由終端位置或空間推斷出移動用戶的可能意圖或者需求［1］。隨著基于用戶位置信息的相關技術的應用和發(fā)展，LBS已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ�、生活所必需的一項基本服務需求�?，3］。借助于位置信息需求，定位技術的發(fā)展與LBS緊密地聯(lián)系在一起了。表1-1列出了LBS的主要應用。
1.2LBS定位技術的發(fā)展
2012年10月初，百度公司正式將地圖部門拆分，成立獨立的LBS事業(yè)部，與百度移動 云事業(yè)部一起成為百度移動互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略中并行的兩個部門。百度董事長兼CEO李彥宏在2012年第三季度財報會議上披露，百度地圖用戶已經(jīng)達到7700萬，新成立的事業(yè)部已經(jīng)開發(fā)了“百度身邊”、“百度路況”等一系列LBS的應用。
無獨有偶，2012年10月末，淘寶低調(diào)推出了本地生活的地圖搜索功能，在此模式下，用戶可以用地圖的模式查看周邊優(yōu)惠和生活服務等相關信息，這表示淘寶在推出“淘寶本地”、“淘寶旅行”和“一淘逛街”等應用之后，又在進一步以地圖和位置服務的方式連接本地用戶和商戶。
2012年8月，大眾點評移動客戶端的獨立用戶突破4000萬，與2011年同期相比增長400%，移動客戶端的流量超過PC端。大眾點評網(wǎng)CEO張濤在《商業(yè)價值》雜志中談到，通過LBS和移動互連，在過去近十年時間里積累了廣泛本地商戶資源的大眾點評網(wǎng)，終于初步完成了在移動終端上與用戶溝通渠道的打通。
目前，高德地圖也已經(jīng)擁有7000余萬用戶，尤其在蘋果公司的iOS平臺進行深度地圖內(nèi)置之后，高德的用戶流量大大增加。高德公司正在不斷尋求攜程等擁有線下商戶內(nèi)容的合作者，以期用地圖為關鍵銜接點，實現(xiàn)用戶與商戶的對接。高德公司以LBS為契機，從一家專業(yè)地圖公司轉(zhuǎn)變成向上整合資源、向下直面用戶的平臺級公司。與移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期簡單的基于“簽到”和社交的LBS戰(zhàn)爭不同，到了2014年，眾多原本屬于不同領域、核心競爭力也大不相同的公司越來越多地走到了一起，從LBS到基于用戶的生活服務，正在進行一場鏈條更加復雜、影響也將更為深遠的關鍵戰(zhàn)役。如果說地圖代表的是整個世界的位置，那么對每個手持移動終端的個體來說，GPS讓他擁有了隨時確定自己位置的能力。而定位自己，最終仍要回到與整個世界的位置匹配中，根據(jù)用戶的需求去實現(xiàn)。
在我國，武漢大學李德仁院士早在2002年就提出開展空間信息與移動通信集成應用的研究，在短短10余年過后，LBS技術的研究與應用在我國得到了迅速的發(fā)展。
我國的LBS商業(yè)應用始于2001年中國移動首次開通的移動夢網(wǎng)品牌下的位置服務。2003年，中國聯(lián)通也推出了“定位之星”業(yè)務。在使用這項服務時，只要在手機上輸入出發(fā)地和目的地，就可以查到開車路線；用語音導航，可以得到實時提示；能夠?qū)崿F(xiàn)5～50m的連續(xù)、精確定位，并提供地圖下載和導航類的復雜服務。2006年年初，中國移動在北京、天津、遼寧和湖北4個省市進行了“手機地圖”業(yè)務的試點運行，為廣大手機用戶提供地圖相關的各種位置服務。如今，這些應用幾乎已經(jīng)走進我們每個人的生活之中。
2006年，互聯(lián)網(wǎng)地圖的出現(xiàn)加速了我國LBS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。眾多地圖廠商、軟件廠商相繼開發(fā)了一系列在線的LBS終端軟件產(chǎn)品。此后，伴隨著無線技術和硬件設施的完善，LBS行業(yè)在國內(nèi)迎來一個爆發(fā)增長期。艾媒市場咨詢研究數(shù)據(jù)顯示，我國LBS個人應用市場2008年的規(guī)模為3.35億元，2009年突增為6.44億元，2010年達到9.98億元。到2013年，中國LBS個人應用市場總體規(guī)模突破70億元，五年來的增幅驚人。在Web 2.0浪潮的沖擊下，國內(nèi)涌現(xiàn)出了諸多新興的LBS應用提供商，他們專注于基于手機的LBS應用開發(fā)，利用LBS手機軟件或Web站點向用戶提供個性化的LBS應用。從目前來看，盡管國內(nèi)的LBS市場不斷成熟，但是LBS個人應用領域的發(fā)展還沒有進入理想狀態(tài)。
可見，移動位置服務擁有著巨大的市場規(guī)模和良好的盈利前景，但當前的實際進展仍比較緩慢。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的完善，移動位置和位置服務的市場將有望進一步壯大。自2008 年開始全球 LBS 運營市場處于加速成長過程中，但是在開展的同時要非常注意業(yè)務和網(wǎng)絡性能的平衡點，應該在保障網(wǎng)絡性能的同時最大可能地保證業(yè)務的開展。移動位置服務的市場推廣和廣泛應用的前提之一就是定位精度。定位精度一方面與提供業(yè)務的外部環(huán)境有關，包括無線電傳播環(huán)境、基站的密度和地理位置以及定位所用設備，另一方面還要取決于所采用的定位技術。
隨著4G網(wǎng)絡的普及和流行，我國的LBS市場將會越來越完善，目前國內(nèi)已經(jīng)有許多廠商正在研發(fā)相關終端產(chǎn)品，結合自身搭建的系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對終端的精確定位和歷史軌跡查詢等功能。可以相信，LBS在中國將會迎來一個廣泛應用和推廣的爆發(fā)期。
1.3定位技術的新挑戰(zhàn)
定位技術的研究已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，世界上存在著很多成熟的定位系統(tǒng)，定位技術也發(fā)展到一個很成熟的階段，然而物聯(lián)網(wǎng)的興起和發(fā)展，對定位技術又提出了許多新的挑戰(zhàn)。
（1） 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的兩大顯著特點就是網(wǎng)絡異構和環(huán)境多變。接入網(wǎng)絡的設備五花八門，而連接的網(wǎng)絡更是各具特色，如何讓不同的設備在不同的網(wǎng)絡下能夠進行準確的定位，將成為定位技術研究的一個新挑戰(zhàn)。
（2） 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信息安全和隱私保護也是一大課題。科學技術往往是把雙刃劍，位置信息的內(nèi)涵非常豐富，在享受高精度的定位技術的同時，我們也將面臨更大的安全風險。高精度的位置信息一旦泄露，若被不法分子推測出人們的各種隱私信息，將會造成非常嚴重的后果。因此，在物聯(lián)網(wǎng)時代，在充分利用好位置信息的同時如何保護好用戶的個人隱私，也是定位技術研究的一個新課題。
（3） 物聯(lián)網(wǎng)時代，定位技術需要收集和處理的數(shù)據(jù)是十分龐大的，而且在實際應用中，采樣過程相當復雜，目前對其的理解尚不盡如人意。另外，當數(shù)據(jù)是通過眾包或海量在線獲取時，網(wǎng)絡采樣的困難也是多重的。因此，可采用合適的采樣模式來估計所需的量值，以加快定位系統(tǒng)的響應速度而不失統(tǒng)計的準確性。盡管科學數(shù)據(jù)集通常具有偏斜的分布特性，但并非所有分布都符合高斯或泊松分布，這種情況下，如何進行數(shù)據(jù)采樣是另一個值得研究的課題。
本章小結
本章先由“我在哪里？”啟發(fā)了人們對位置信息的思考，并通過身邊熟悉的案例引出了基于位置服務（LBS）的概念。接著，介紹了LBS的主要應用，指出位置信息服務的重要社會地位和實際意義。最后，總結介紹了LBS發(fā)展的現(xiàn)狀以及定位技術所面臨的挑戰(zhàn)。
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