第 1 章  緒論 

1.1  課題的研究背景及意義 
將來發(fā)展的方向是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。隨著隨著 Internet 的迅猛發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備步入了人們的生活，一方面增加了人們對(duì)定位的需求，另一方面使無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展。當(dāng)代技術(shù)發(fā)展比較成熟的 GPS(全球定位系統(tǒng)的簡稱)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，它應(yīng)用在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、地理位置等一些國家重要的鄰域，為人們的生活提供了極大的方便。但是在某些情況下，如在礦井這樣密閉的環(huán)境下，或者在大型超市阻擋物體特別的情況下，或者建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，這些建筑物就會(huì)阻擋 GPS 信號(hào)，所以在這些建筑內(nèi)應(yīng)用 GPS 定位結(jié)果并不理想，此外，GPS 定位技術(shù)的發(fā)展同時(shí)受到移動(dòng)設(shè)備的高功率損耗，和室內(nèi)定位環(huán)境的限制[1]。 目前為止，因?yàn)檫M(jìn)行室內(nèi)定位時(shí)，我們需要事先對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行部署，部署的系統(tǒng)有許多的條件限制如設(shè)備的精度要求或者定位時(shí)環(huán)境的要求。因此與先進(jìn)的室外定位技術(shù)相比，室內(nèi)定位技術(shù)要求更高，所以急需室內(nèi)定位的精度。因?yàn)樯鲜龅脑�，很多人�?duì)此領(lǐng)域做了大量的研究，研究出了許多的室內(nèi)定位技術(shù)，我們一些常見的定位技術(shù)，如利用紅外線、射頻識(shí)別、超聲波等技術(shù)，還有一些比較新的定位方法，如利用二維碼掃描位置、無線局域網(wǎng)等技術(shù)[2,3]。 室內(nèi)環(huán)境中的建筑物比較多，還有一些其它的人為因素的影響如人員的走動(dòng)、們的開關(guān)也能影響信號(hào)，所以有時(shí)信號(hào)不能完全直線傳播，甚至遇到物體時(shí)信號(hào)還會(huì)出現(xiàn)反射、衍射、散射等現(xiàn)象。但是基于位置的定位方法如能有效建立指紋數(shù)據(jù)庫也能得到較高的定位效果。 利用 RSSI 進(jìn)行定位，需要樓內(nèi)布置多個(gè) AP 點(diǎn)，當(dāng)采集樓內(nèi)的 AP 信號(hào)源所發(fā)出的強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)，采樣點(diǎn)可以根據(jù)我們所進(jìn)行定位的區(qū)域面積大小進(jìn)行劃分，接著將采集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)端，服務(wù)端會(huì)通過相關(guān)算法生成繪制出位置與指紋相對(duì)應(yīng)的圖。當(dāng)客戶端的人走進(jìn)樓層時(shí)，手機(jī)自動(dòng)上傳它所采集到的 RSSI 信號(hào)數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端，在服務(wù)器上將來源于客戶端的數(shù)據(jù)與在離線階段采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過層次聚類的方法找到客戶端所在的類，從而對(duì)用戶進(jìn)行定位，并將定位結(jié)果返回給客戶端，用戶就能知道自己所在樓層。 
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1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析
GPS 是利用衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量距離的一種方法，它的簡稱就是全球定位系統(tǒng)，可以說 GPS 定位應(yīng)用是全球最廣的技術(shù)。這種系統(tǒng)接受天上衛(wèi)星的無線信號(hào)電信號(hào)。GPS 應(yīng)用的鄰域可以說主要集中在空曠的地方，如戶外等場(chǎng)所，它在空曠的地方運(yùn)行狀態(tài)良好。但是在室內(nèi)衛(wèi)星信號(hào)無法到達(dá)的地方，GPS 運(yùn)行的效果不好。而且 GPS 運(yùn)行時(shí)需要幾顆衛(wèi)星聯(lián)合工作，如果沒有達(dá)到這個(gè)要求，系統(tǒng)就不會(huì)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)樵诮ㄖ飪?nèi)部，復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)阻擋 GPS 信號(hào)，如果在考慮人為的一些因素，那么該方法的定位精度是相當(dāng)?shù)牡�，根本不可能如�?GPS 在戶外時(shí)一樣能夠很好接受衛(wèi)星放出的無線電信號(hào)。傳統(tǒng)的 GPS 系統(tǒng)主要依賴衛(wèi)星系統(tǒng)，將采集衛(wèi)星信號(hào)、衛(wèi)星信號(hào)的處理、定位全部集中于一端，可能造成終端系統(tǒng)過于消耗影響設(shè)備的靈敏度[4,5]。 目前比較完善的 GPS 定位系統(tǒng)也有其優(yōu)點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)在于衛(wèi)星能覆蓋的地方，GPS 就能定位，如車輛在高速公路上行駛時(shí)，能夠一路定位車輛所在的位置，而且該系統(tǒng)通常是免費(fèi)使用。它的缺點(diǎn)就是遇到障礙物穿透能力不強(qiáng)，所以衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)不了的地方，GPS 定位系統(tǒng)就不能進(jìn)行定位。 另一種的定位技術(shù)是紅外線，紅外線是由紅外線標(biāo)識(shí)發(fā)送的，由室內(nèi)的 安裝的光學(xué)元器件接受紅外線�？梢哉f紅外線的定位精度很高。但是紅外線 穿通障礙物的能力很低，這就使得紅外線只能進(jìn)行直線傳播。還有一個(gè)原因紅外線的傳播距離相對(duì)比較短，有時(shí)造成紅外線的定位效果不好，例如當(dāng)紅外線的標(biāo)識(shí)放在口袋里影響紅外線的定位，如果遇到障礙物阻擋時(shí)紅外線定位結(jié)果就會(huì)不準(zhǔn)。那么遇到障礙物如何改進(jìn)，最常用的方法就是在有障礙物的地方每個(gè)一段距離就安放一個(gè)接受天線，但是這種方法的弊端在于接受天線的造價(jià)太高。所以應(yīng)用紅外線定位時(shí)，最好是在短距離、沒有很多障礙物的情況下，定位精度才能有保證。所以紅外線定位具有局限性。 
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第 2 章  理論基礎(chǔ) 

首先介紹幾種常見的定位技術(shù)，如有關(guān)傳播角度 AOA 的定位，有關(guān)時(shí)間差 TOA 的方法、以及基于信號(hào)強(qiáng)度 RSSI 等一些定位技術(shù)，然后介紹空間聚類的如何定義的，從空間聚類分析幾種常見的聚類，如基于劃分的聚類 聚類方法可以說就是把空間或者平面的點(diǎn)按照某種規(guī)則進(jìn)行歸攏，并且對(duì)一些聚類方法進(jìn)行有缺點(diǎn)的分析。再對(duì)層次聚類進(jìn)行分析，凝聚模式是層次聚類的一種方式，首先將每個(gè)樣本點(diǎn)做為一類，利用相識(shí)度不斷進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直到到達(dá)我們所需要的條件就停止，同時(shí)求出聚類所需的 k 值，即所需要的聚類數(shù)目。 

2.1  定位技術(shù) 
隨著科技的發(fā)展，定位技術(shù)這幾年也得到了迅猛的發(fā)展，，由于信號(hào)的采集與處理方法的不同，大致有基于 AOA、TOA、RSSI 等一些定位方法。該定位方法是利用天線組成的陣列測(cè)出AP發(fā)射信號(hào)時(shí)的入射角,然后利用三個(gè)以上的AP的角度方位線相交叉所形成的交點(diǎn)，該點(diǎn)就是待測(cè)點(diǎn)的估計(jì)位置，測(cè)試點(diǎn)與基站1角度為1? ，與基站2角度為2? ，測(cè)試點(diǎn)與基站1和基站2連線之間的交叉點(diǎn)即為待測(cè)點(diǎn)位置[21]。但AOA設(shè)備復(fù)雜度較高。如圖2-1所示。 解出上面的非線性方程就可以得出待測(cè)點(diǎn)的位置。如果測(cè)量出兩個(gè)角度與相關(guān)距離，那么就能估計(jì)出二維平面的被測(cè)物體的位置，同樣的道理，如果測(cè)量出三個(gè)角度與相關(guān)距離。那么就能估計(jì)出三維立體空間的被測(cè)點(diǎn)的位置�；贏OA測(cè)量的定位技術(shù)所需的天線帶有方向性。 
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2.2  空間聚類概述 

空間聚類分析，又稱為群分析，它是根據(jù)”物以類聚”的道理，又被稱為群分析。是對(duì)樣本或者指標(biāo)進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。 空間聚類討論的對(duì)象是大量的樣品，對(duì)這些樣品按照它們各自的特性進(jìn)行合理的類別劃分，通常是在沒有特殊要求的情況下進(jìn)行的。該聚類是將數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，這一過程劃分的原則是同一類中數(shù)據(jù)相似或相近�？臻g聚類分配數(shù)據(jù)時(shí)是根據(jù)它們的相識(shí)程度進(jìn)行聚類的。常用的測(cè)量公式有很多，如曼哈頓距，它的公式為 2-8 所示，相似系數(shù)、夾角余弦，它的公式(2-9)所式等等。不同的聚類算法選用不同的相識(shí)度度量方法，產(chǎn)生的聚類結(jié)果也會(huì)不同[29]。 聚類方法基于一般分為使用均值或中心星團(tuán)中心的代表，聚類基于距離。如 k-means 算法，從數(shù)據(jù)對(duì)象作為初始聚類中心選擇首先 k 個(gè)對(duì)象，然后對(duì)剩余數(shù)據(jù)聚類。根據(jù)中心簇的大小之間的距離，該數(shù)據(jù)對(duì)象到簇，其中的最小距離，分割完成。然后計(jì)算每個(gè)群集的平均值的基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)值，更新群集中心，以新的簇的優(yōu)點(diǎn)中心重繪對(duì)象，重復(fù)上述步驟，直到群集的中心不改變?yōu)橹埂?在基于劃分的聚類方法中，在基于分區(qū)聚類方法，噪音和異常數(shù)據(jù)是很大的。因此，這樣的數(shù)據(jù)對(duì)最終聚類結(jié)果有很大的影響，同時(shí)聚類中心的合理的選擇是至關(guān)重要的。 

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第 3 章 樓層阻隔及數(shù)據(jù)預(yù)處理 ......... 22 
3.1wifi 信號(hào)樓層間衰減特性 ......... 22 
3.2 對(duì)指紋數(shù)據(jù)的預(yù)處理 ...... 24 
3.3 本章小結(jié) ...... 28 
第 4 章 定位研究 ............. 29 
4.1 樓層定位流程 ........ 29 
4.2 樓層定位系統(tǒng) ........ 31 
4.2.1 服務(wù)器系統(tǒng) ..... 33 
4.2.2 終端系統(tǒng) ......... 34 
4.2.3 通信系統(tǒng) ......... 35 
4.2.4 無線局域網(wǎng)系統(tǒng) ....... 36 
4.3 樓層實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .......... 37 
4.3.1 采集數(shù)據(jù) ......... 37 
4.3.2 層次聚類的應(yīng)用與定位 ..... 40 
4.3.3 與基本樓層定位方法相比較 ....... 41 
4.4 本章小結(jié) ...... 43 

第 4 章  定位研究 

在樓層定位流程中，詳細(xì)描述數(shù)據(jù)聚類的流程，從輸入 RSSI 數(shù)據(jù)向量值到逐漸按照距離要求合并成類，循環(huán)合并直到聚類達(dá)到要求為止。在樓層定位系統(tǒng)中，提出一種樓層定位系統(tǒng)的整體體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)、終端系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))這四部分構(gòu)成了樓層定位系統(tǒng)的整體構(gòu)架，每一部分分別進(jìn)行了介紹。并且對(duì)基于層次聚類的樓層定位方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在定位時(shí)間與定位精度上，與基本的樓層定位方法記性比較。 

4.1 樓層定位流程 
層次聚類能高效率地處理數(shù)據(jù)集同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)集合較好地實(shí)現(xiàn)聚類。它能夠一次性地獲得整個(gè)聚類的過程，并生成一顆聚類樹。層次聚類首先將每個(gè)樣本各自成為一類，然后按照所需的距離準(zhǔn)則進(jìn)行合并，循環(huán)合并達(dá)到結(jié)束條件為止。 如圖 4-1 所示，RSSI 數(shù)據(jù)向量值進(jìn)行聚類，根據(jù)類間的平均距離進(jìn)行循環(huán)聚類，類間平均距離作為距離準(zhǔn)則能夠很好衡量兩個(gè)類簡單距離，循環(huán)聚類直到到達(dá)聚類要求為止，在把分好的類與實(shí)際樓層相結(jié)合，制成表格，為樓層進(jìn)行定位時(shí)做準(zhǔn)備。樓層定位系統(tǒng)的研究開發(fā)首先要考慮整體架構(gòu)是否完整，設(shè)計(jì)良好的架構(gòu)可使系統(tǒng)具有一些良好的性能，如系統(tǒng)的可維護(hù)性、可開發(fā)性、可擴(kuò)展性，所以一個(gè)完美的樓層系統(tǒng)一方面要求應(yīng)用時(shí)能做到定位精準(zhǔn)不要有誤差或則誤差很小，另一方面要求系統(tǒng)能有一個(gè)良好的整體結(jié)構(gòu)，有利于維護(hù)和開發(fā)系統(tǒng)。 樓層定位系統(tǒng)選擇的是基于信號(hào)強(qiáng)度位置指紋定位方法，聚類算法選擇的是基于層次聚類的算法，下面就對(duì)基于層次聚類的樓層定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)展開相關(guān)的研究。研究層次聚類的樓層定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是為了提出一種樓層定位系統(tǒng)的整體體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)是基于層次聚類之上的。服務(wù)器系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)系統(tǒng)、終端系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(通信系統(tǒng))這四部分構(gòu)成了樓層定位系統(tǒng)的整體構(gòu)架的四部分。
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結(jié)論 

傳統(tǒng)的樓層定位方法在樓層定位時(shí)間與定位精度方面有待提高，所以本文提出一種基于層次聚類的 WLAN 樓層定位系統(tǒng)。該方法用層次聚類的方法對(duì)數(shù)據(jù)庫中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，使測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)直接與已劃分的類做比較，不需要與每個(gè)指紋數(shù)據(jù)做對(duì)比，大大節(jié)省了時(shí)間。從測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果也能看出，與基本樓層判別方法相比，層次聚類的分類方法無論在時(shí)間方面還是在準(zhǔn)確率方面都有所提高。如果樓層定位系統(tǒng)應(yīng)用在大型建筑物中，需要采集大量數(shù)據(jù)信息，所以采用眾包的方式采集數(shù)據(jù)，節(jié)省人力成本。同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作。 在高度方向上，樓層定位系統(tǒng)只能定位出測(cè)試點(diǎn)所在的樓層號(hào)，不能知道具體的高度。要想求出樓層的具體高度，與一些能夠測(cè)出具體高度值的設(shè)備相結(jié)合，我們可以結(jié)合帶有氣壓測(cè)量的設(shè)備，大氣壓隨著高度的變化，它的值也不同。我們也可以結(jié)合帶有三維方向傳感器的設(shè)備，三維傳感可以感知人移動(dòng)時(shí)的加速度，有加速度的值進(jìn)一步求出位移。今后也會(huì)多多研究與高度方向上的定位信息。用戶知道了自己所處的樓層后，如果想要知道自己所處的具體位置時(shí)，可以選擇相應(yīng)的平面位置算法進(jìn)行進(jìn)一步確定位置。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：246643