无线定位技术介绍

在过去十年中，随着定位和通信系统的部署，研究已经朝着将通信和定位集成到单个系统的方向发展。 一些示例是第三代合作伙伴计划 (3GPP) 和超宽带 (UWB) 的当前标准，其中包括有关通信规范中定位机制的信息。

这些功能的组合利用了新服务，即基于位置的服务 (LBS)。 与早期旨在简单提供定位的专用解决方案相比，新的无线网络解决方案能够提供通信和定位的综合优势。 因此，整个网络以及最终用户和服务提供商都可以从支持位置的通信功能中受益：网络运营商可以更有效地管理所有网络资源，服务提供商能够提供 基于用户位置的新服务，用户可以享受新的个性化、位置相关的服务。 研究文献中提出的许多服务都假定位置信息是部署新协议（例如路由和集群）、新技术（例如协作系统）和新应用程序（例如导航和位置感知广告）的基本要求。 此外，在工业环境中，位置信息也被广泛应用于导航、位置相关搜索和社交网络等应用中。 由于如今无线通信网络几乎随时随地存在，任何新的与位置相关的网络增强、服务或应用程序都可以迅速传播并在全球范围内使用。

无线通信技术中的位置信息机制可分为定位系统和定位方案，如下图所示。 定位系统涉及测量无线链路属性以及随后处理这些测量以估计用户位置所必需的硬件和软件。 定位系统通常是将整个系统集成到通信技术中，例如将 GPS 集成到移动电话和蜂窝基站 (BS) 中。 相比之下，定位解决方案通常是基于软件的实现，其中用户位置的间接测量是通过适应通信技术中存在的机制以机会主义的方式获得的。 在当前的无线通信网络中启用位置信息可以通过将定位系统集成到网络中或通过实施提取位置信息的定位解决方案来实现，从而利用网络的潜力。

图1、定位系统 (a) 和定位解决方案 (b) 的示意图

图 1、 定位系统 (a) 和定位解决方案 (b) 的示意图。 实线箭头表示通信流，虚线箭头表示位置信息流。 在（a）中，可以看出位置总是在定位技术中产生的。 相反，定位解决方案通常是基于从通信技术获得的机会信息来计算位置的。

通过将定位系统集成到网络中，通常可以获得比直接在网络中实现更高的精度。 缺点是集成额外的硬件必然意味着额外的成本、更高的功耗和更高的复杂性。 出于这个原因，通常首选基于软件的直接定位实现，它机会主义地利用现有硬件并提取位置信息。 典型的定位解决方案利用当前大多数先进无线技术中存在的机制，例如功率控制和同步方案。 要求是定位解决方案能够执行无线信道测量，可用作对用户位置的间接观察。 这种测量的例子是接收到的信号强度和信号的传播延迟。

可能需要位置信息的场景和条件是多种多样的，没有一种定位系统能够在所有条件下都进行定位。 出于这个原因，有多种本地化系统和解决方案可供使用，还有许多其他系统和解决方案仍在研究中。 例如，传统的基于卫星的 GPS 代表了一种覆盖全球的解决方案； 但是，它在某些特定情况下无法使用，例如在密集的城市地区、室内、水下和地下。 对于这些情况，许多其他系统正在开发中，甚至已经在上市应用了。

由于越来越多的服务和系统使用位置以及未来设想的更多服务，以类似于为开放系统互连所做的方式，必须有一个分层定位系统的框架（ OSI）堆栈在通信世界中。 该框架定义了多个层，每个层都有明确定义的目的。 除了其他好处之外，该框架还将允许服务独立于覆盖技术运行。 许多研究关注LBS的应用和服务中涉及的实体。 例如，这些实体是服务提供商、用户、网络运营商、位置基础设施运营商、开发商和门户网站。 这些应用程序根据所提供的服务进行分类：紧急服务、汽车应用程序、医疗应用程序、监控、导航、管理和娱乐。 然后，指出了结合这两种功能的主要好处：基于定位的通信和基于通信的定位的互操作性和增强。 典型的例子是无线电资源管理和无线电规划。在对位置定位系统进行抽象可以推导出一个类似于通信系统 ISO/OSI 模型的七层模型，如下图所示：

定位系统七层模型示意

从广义上讲，LBS（基于位置的服务） 是通过 Internet 和/或无线网络向最终用户扩展空间信息处理或 GIS 功能的任何服务 。 然而，与专注于土地管理和规划的地理数据的传统 GIS 应用不同，LBS 应用可以提供将个人位置动态链接到有关当前环境的上下文敏感信息所需的连接性和上下文。 这实现了高度的个性化，有助于“将每个用户置于他/她自己的世界的中心”。 LBS 的一些更正式的定义如下：

• LBS 定义 1：使用地理信息为移动用户提供服务的无线 IP 服务或任何利用移动终端位置的应用服务 。

• LBS 定义2：通过移动网络使用移动设备访问的信息服务，利用移动设备本身的位置的能力。

• LBS 定义 3：一种基于网络的服务，它将对移动设备位置或位置的推导估计与其他偶然信息相结合，以便为用户提供附加值。

上述定义实际上将 LBS 描述为 NICT、互联网和 GIS 的交叉点，如下图所示：

作为技术交叉点的 LBS

参考书籍：

《无线定位技术》

《无线定位技术》

本书首先对无线定位技术进行了系统的理论研究。然后，在理论结果的指导下，作者提供了提高本地化系统性能和使系统部署更加方便的设计方法。

本书旨在解决以下问题：无线定位系统的可靠性;系统如何随着要服务的用户数量而扩展;如何在实施系统时做出关键设计决策;以及如何减少部署无线定位系统的人工工作量。本书适用于对无线定位技术感兴趣的研究人员、学者和学生。

《使用无线传感器网络基于接收信号强度的目标定位和跟踪》

《使用无线传感器网络基于接收信号强度的目标定位和跟踪》

本书简要总结了无线传感器网络（WSN）中定位和跟踪（L&T）的最新技术和解决方案的现状，重点是基于RSS的方案。作者广泛而深入地涵盖了基本主题，包括基于范围和无范围的定位策略以及信号路径损耗模型。

此外，本书还包括运动模型，以及如何利用状态估计技术和高级机器学习技术，使用低成本测量指标（即RSS）为给定问题设计L&T系统。本书还提供了MATLAB示例来演示L&T的基本算法，并提供对所有MATLAB代码的在线访问。这本书允许执业工程师和研究生跟上L&T领域的当代最新研究成果和新技术。

《无线接入和定位原理》

《无线接入和定位原理》

这是一本全面的、包罗万象的且易于阅读的书籍，探讨了广泛的关键无线网络和定位技术；

本书统一处理了与所有无线接入和无线定位技术相关的问题。本书反映了无线接入基础设施的设计和部署原则，以及广域网、本地网和个人网络的定位。无线接入方法的描述包括设计和部署传统的TDMA和CDMA技术，以及用于广域蜂窝网络，IEEE 802.11 / WiFi无线局域网以及IEEE 802.15蓝牙，ZigBee，超宽带（UWB），射频微波和用于传感器和自组织网络的体域网络的新兴长期演进（LTE）技术。解释并比较了无线定位技术的原理，该技术使用军事和商业应用中使用的无线信号的到达时间和接收信号强度，用于城市，室内和人体内部的智能设备定位。

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本书的主要特点：

• 提供主要无线技术的广泛覆盖，包括新兴技术发展，如体域网络和信息物理系统
• 本书以教程形式编写，可供该领域的学生和研究人员使用
• 包括实际示例和软件项目，以挑战学生实际重要的仿真模拟问题