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室内定位理论、方法和应用

作译者：万群,郭贤生,陈章鑫

出版时间：2012-09 千字数：378 版次：01-01 页数：236

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121058783

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纸质书定价：￥38.0

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目    录
第1章  概述	1
1.1  室内定位的特点	2
1.2  室内定位的发展	3
1.3  室内定位方法的分类	7
1.3.1  从室内信道的特征谈起	7
1.3.2 从参数化定位到非参数化定位	8
1.4  常见室内定位方法	14
1.4.1  红外线室内定位方法	14
1.4.2  超声波室内定位方法	15
1.4.3  蓝牙室内定位方法	16
1.4.4  RFID室内定位技术	17
1.4.5  UWB室内定位技术	18
1.4.6  WiFi室内定位技术	20
1.4.7  ZigBee室内定位技术	20
1.4.8  室内麦克风阵列定位技术	22
1.4.9  SLAM室内定位技术	23
1.4.10  室内电力线定位技术	24
1.5  几种常见的定位机制	24
1.5.1  三角测量技术	25
1.5.2  RSSI测量技术	27
1.6  室内定位的几种协议标准	28
1.6.1  红外通信协议	28
1.6.2  蓝牙通信协议	28
1.6.3  ZigBee通信协议	29
1.6.4  UWB通信协议	30
1.6.5  WiFi通信协议	30
1.7  总结	32
第2章  室内环境和室内信道	33
2.1  常见的信道模型	33
2.1.1  经验模型	34
2.1.2  确定性模型	36
2.2  室内信道模型	37
2.2.1  S-V模型	37
2.2.2  -K模型	38
2.2.3  两簇模型	38
2.2.4  IEEE 802.15.3a标准模型	39
2.3  直达波和非直达波传播	41
2.4  直达波鉴别算法	41
2.4.1  Wylie鉴别方法	41
2.4.2  假设检验判决方法	43
2.4.3  残差分析判决方法	46
2.5  非直达波剔除算法	47
2.5.1  Wylie方法	47
2.5.2  残差加权算法	48
2.5.3  几何约束法	50
2.5.4  其他NLOS剔除算法	52
第3章  参数化室内定位方法	54
3.1  几种典型的定位方法介绍	54
3.1.1  TOA估计法	54
3.1.2  TDOA估计法	61
3.1.3  AOA估计法[184]	64
3.1.4  RSSI估计法	67
3.1.5  混合定位算法	70
3.1.6  多维标度算法（MDS）	75
3.2  影响参数化室内定位方法定位精度的因素	80
3.2.1  信号的自由空间衰减[188]	80
3.2.2  信号的吸收效应[188]	80
3.2.3  非视距（NLOS）传播	81
3.2.4  多径和阴影效应	81
3.3  参数化室内定位方法的定位误差分析	82
第4章  非参数化室内定位方法	86
4.1  非参数化室内定位概述	86
4.2  几种典型的非参数化室内定位技术	86
4.2.1  信号强度指纹定位技术	86
4.2.2  空间谱指纹定位技术	91
4.2.3  机器学习型自适应定位技术[190]	93
4.2.4  图像指纹定位技术[191]	97
4.2.5  RFID标签定位技术	98
4.2.6  基于数据内插的定位技术	101
4.2.7  基于Kernel方法的定位技术	105
4.3  制约现有非参数化室内定位的定位精度的因素	108
4.3.1  失配问题	108
4.3.2  对信道状态信息的利用率很低	109
4.3.3  对指纹库的利用率低	109
4.4  非参数化室内定位的发展方向	110
4.4.1  在算法研究方面	110
4.4.2  在工程应用方面	111
4.5  总结	112
第5章  基于ZigBee的无线传感器网络室内定位	113
5.1  ZigBee知识的介绍	113
5.1.1  概念	113
5.1.2  ZigBee技术的硬件	114
5.1.3  ZigBee技术的软件	118
5.1.4  ZigBee技术的应用与发展	121
5.2  基于ZigBee的参数化室内定位方法	124
5.2.1  数学模型	124
5.2.2  算法介绍	124
5.2.3  ZigBee室内定位网络	125
5.2.4  上位机软件实现	128
5.2.5  ZigBee参数化室内定位的实现	129
5.3  基于ZigBee的非参数化室内定位方法	134
5.3.1  非参数化定位算法	134
5.3.2  非参数化定位的网络架构	135
5.3.3  测量多信道RSSI与距离的关系	137
5.3.4  非参数化室内定位实现	140
5.4  基于ZigBee技术的室内定位分析	154
5.4.1  参数化与非参数化定位结果分析	154
5.4.2  基于ZigBee技术的室内定位的各种改进	155
第6章  麦克风阵列室内定位方法	156
6.1  引言	156
6.1.1  麦克风阵列的应用	157
6.1.2  基于室内麦克风阵列的音频信号处理	158
6.2  麦克风阵列音频定位概述	160
6.2.1  室内音频信号的特点	160
6.2.2  麦克风阵列信号处理	160
6.2.3  基于麦克风阵列的室内声源定位方法的分类	163
6.3  基于信号到达角度（DOA）的定位方法	163
6.3.1  基于最大输出功率的可控波束形成技术	164
6.3.2  基于信号协方差的空间功率谱方法	170
6.3.3  波达角定位	171
6.4  基于时延估计（TDE）的定位方法	172
6.4.1  时延估计方法	173
6.4.2  时延估计定位	176
6.5  基于信号能量（RSSI）的定位方法	177
6.5.1  信号模型	177
6.5.2  最大似然估计定位方法	178
6.6  数据库匹配定位方法	179
6.7  小结	183
第7章  电力线室内定位系统	184
7.1  电力线定位概述	184
7.1.1 电力线室内定位研究的意义	184
7.1.2  电力线室内定位的国内外研究现状	185
7.2  电力线信号传输原理	185
7.2.1  电力线的复用技术	185
7.2.2  电力线复用传输信号的加工	186
7.2.3  低压电力线的信道特性[282]	188
7.3  电力线室内定位技术	192
7.3.1  电力线室内定位技术的工作原理	192
7.3.2  定位算法	194
7.4  实验设计	196
7.4.1  信号发生模块的设计	196
7.4.2  标签的设计	196
7.4.3  软件的设计	197
7.5  实验结果	198
7.6  电力线室内定位与GSM、WiFi定位的比较	198
7.7  总结及展望	199
第8章  室内定位的典型应用	200
8.1  室内定位技术在地下停车场中的应用	200
8.1.1  定位系统介绍	201
8.1.2  需解决的关键问题	202
8.2  室内定位技术在展会等环境中的应用	203
8.2.1  系统介绍	203
8.2.2  系统特点	203
8.2.3  系统布置	204
8.3  室内定位技术在智能家居中的应用	205
8.3.1  典型的智能家居系统	205
8.3.2  典型的智能家居网络——WHANs	206
8.3.3  智能家居无线网络的设计要求	207
8.3.4  智能家居无线网络的各种标准特征	207
参考文献	209

前    言
随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其是在复杂的室内环境中，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场等，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置。但与室外环境相比，室内环境受定位时间、定位精度及室内复杂环境等条件的限制，因此比较完善的定位技术目前还无法得到很好的利用。另外，由于复杂环境下的室内定位在地下救援、智能家居、大型展厅等具有重要的应用背景，所以对室内定位的研究可在一定程度上提高生活质量，保护生命财产安全。
目前，室内定位领域的研究吸引了越来越多的研究者的广泛关注，国内外的一些大型公司和科研院所也已经研发出一些先进的室内定位系统。例如，日本某公司就实现室内定位提出了不同的方法，即采用光照、红外线、无线网络、IMES室内定位、RFID射频识别与QR二维码识别位置，并且在对目前这些技术进行比较和分析之后，推出了工程样机，使得室内定位基本可以实现普通定位应用。又如，微软公司研发的RADAR系统、MIT实验室研发的Cricket系统及美国Aubum大学研制的ARIADNE系统等都是室内定位系统的典型代表。唐恩公司是国内最早进行超宽带（Ultra Wide band，UWB）定位研究的公司之一，其开发的iLocate系统能够在传统的挑战性应用环境中达到较高的定位精度并具有很好的稳定性。成都无线龙通信科技也是较早进行室内定位的研究公司之一，其开发的ZigBee定位系统的性能也可以满足一般情况下的定位应用。其他的诸如宁波中科、台湾地区的采智等也都进行了室内定位的相关研究工作。
本书是作者在多年从事移动定位研究的基础上总结取得的研究成果，并结合当前国际、国内室内定位方面的最新进展撰写完成的。本书由8章构成，第1章简要介绍了室内定位的概况、发展及各种定位方法和定位系统；第2章介绍了蜂窝信道、天波信道等室外信道和室内信道，阐述了室内信道的特殊性；第3章介绍了常见的需要估计与位置有关的信号参数再进行定位的参数化定位方法，这些方法在室外定位中积累了大量的研究成果，在直达波传播情况下的定位效果较好，是定位理论的基础。第4章总结了几种常见的非参数化室内定位方法，这些方法可有效对抗室内环境下的非直达波传播，在一定程度上提高室内定位的精度。第5章、第6章及第7章分别介绍了几种典型的室内定位方案，这些方案代表了室内定位领域的现在和将来的发展方向，具有十分重要的研究意义。第8章介绍了室内定位领域的另外几种具有代表性的室内定位方案，如UWB定位及室内电力线定位，前者具有很高的定位精度，后者是室内定位的一个全新研究方向。这些典型的室内定位方案在现阶段具有十分重要的代表性，可作为室内定位的应用参考。
总之，本书在内容安排上特色鲜明，以室内定位问题为主线，以复杂环境下的目标定位问题为背景，从参数化定位到非参数化定位、直达波定位到非直达波定位、专用定位系统到寄生定位系统、室内定位理论到室内定位实现，系统全面地介绍了室内定位理论和关键技术，并给出了具有代表性的室内定位系统和典型应用示例。本书的另外一个特点是在反映本领域研究前沿的基础上，注重定位理论和实际实现相结合。
本书的部分研究工作得到了国家863高技术研究发展计划项目“室内多视时延轮廓定位技术研究”（项目编号：2008AA12Z306）、教育部新世纪优秀人才支持项目“学习型定位理论和混合谱估计方法研究”（项目编号：NCET-05）、国家自然科学基金面上项目“高精度非直达波定位理论和算法研究”（项目编号：60372022），第51批中国博士后科研基金项目“基于空间谱群指纹的高精密度室内定位方法研究”（项目编号：2012M510168），中央高校基本科研业务费（空间谱数据库高精度室内定位方法研究）（项目编号：ZYGX2010J018）及2012年江西省博士后科研基金项目的资助，在此表示诚挚的感谢。另外，本书的部分内容采用了作者所在研究组的研究成果，因此这里要特别感谢参与过本书研究工作的黄丹萍副教授、段林甫博士生、高宇飞博士生、李金洋、李亚楠、张胜蓝、郑娜、鲁文强、胡信华等研究生。
近年来，复杂环境下的基于位置服务的定位理论和算法等方面的研究进展十分迅速，特别是室内定位方面的研究不断取得新的进展。作者虽然力图在本书中展现室内定位领域的主要进展，但由于室内定位的理论、算法和实现等研究一直处在不断发展之中，再加上作者水平所限，难以全面、完整地对当前的研究前沿和热点问题进行一一探讨，所以书中难免存在疏漏与不当之处，敬请读者批评指正。
作  者    
2012年7月

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