第 1 章  緒論 

1.1  課題的研究背景及意義 
將來發(fā)展的方向是移動互聯(lián)網(wǎng)。隨著隨著 Internet 的迅猛發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備步入了人們的生活，一方面增加了人們對定位的需求，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、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，這些建筑物就會阻擋 GPS 信號，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)展同時受到移動設(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，因為進行室內(nèi)定位時，我們需要事先對室內(nèi)環(huán)境進行部署，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環(huán)境的要求。因此與先進的室外定位技術(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。因為上述的原因，很多人對此領(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、們的開關(guān)也能影響信號，所以有時信號不能完全直線傳播，甚至遇到物體時信號還會出現(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 進行定位，需要樓內(nèi)布置多個 AP 點，當(dāng)采集樓內(nèi)的 AP 信號源所發(fā)出的強度數(shù)據(jù)時，采樣點可以根據(jù)我們所進行定位的區(qū)域面積大小進行劃分，接著將采集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)端，服務(wù)端會通過相關(guān)算法生成繪制出位置與指紋相對應(yīng)的圖。當(dāng)客戶端的人走進樓層時，手機自動上傳它所采集到的 RSSI 信號數(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)進行對比，通過層次聚類的方法找到客戶端所在的類，從而對用戶進行定位，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)星進行測量距離的一種方法，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)星的無線信號電信號。GPS 應(yīng)用的鄰域可以說主要集中在空曠的地方，如戶外等場所，它在空曠的地方運行狀態(tài)良好。但是在室內(nèi)衛(wèi)星信號無法到達(dá)的地方，GPS 運行的效果不好。而且 GPS 運行時需要幾顆衛(wèi)星聯(lián)合工作，如果沒有達(dá)到這個要求，系統(tǒng)就不會進入運行狀態(tài)。因為在建筑物內(nèi)部，復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)會阻擋 GPS 信號，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)牡停静豢赡苋缤?GPS 在戶外時一樣能夠很好接受衛(wèi)星放出的無線電信號。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、衛(wèi)星信號的處理、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，它的優(yōu)點在于衛(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，能夠一路定位車輛所在的位置，而且該系統(tǒng)通常是免費使用。它的缺點就是遇到障礙物穿透能力不強，所以衛(wèi)星信號到達(dá)不了的地方，GPS 定位系統(tǒng)就不能進行定位。 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行直線傳播。還有一個原因紅外線的傳播距離相對比較短，有時造成紅外線的定位效果不好，例如當(dāng)紅外線的標(biāo)識放在口袋里影響紅外線的定位，如果遇到障礙物阻擋時紅外線定位結(jié)果就會不準(zhǔn)。那么遇到障礙物如何改進，最常用的方法就是在有障礙物的地方每個一段距離就安放一個接受天線，但是這種方法的弊端在于接受天線的造價太高。所以應(yīng)用紅外線定位時，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)時間差 TOA 的方法、以及基于信號強度 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按照某種規(guī)則進行歸攏，并且對一些聚類方法進行有缺點的分析。再對層次聚類進行分析，凝聚模式是層次聚類的一種方式，首先將每個樣本點做為一類，利用相識度不斷進行循環(huán)計算，直到到達(dá)我們所需要的條件就停止，同時求出聚類所需的 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出AP發(fā)射信號時的入射角,然后利用三個以上的AP的角度方位線相交叉所形成的交點，該點就是待測點的估計位置，測試點與基站1角度為1? ，與基站2角度為2? ，測試點與基站1和基站2連線之間的交叉點即為待測點位置[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點的位置。如果測量出兩個角度與相關(guān)距離，那么就能估計出二維平面的被測物體的位置，同樣的道理，如果測量出三個角度與相關(guān)距離。那么就能估計出三維立體空間的被測點的位置�；贏OA測量的定位技術(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。是對樣本或者指標(biāo)進行分類的一種多元統(tǒng)計分析方法。 空間聚類討論的對象是大量的樣品，對這些樣品按照它們各自的特性進行合理的類別劃分，通常是在沒有特殊要求的情況下進行的。該聚類是將數(shù)據(jù)進行劃分，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)時是根據(jù)它們的相識程度進行聚類的。常用的測量公式有很多，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度度量方法，產(chǎn)生的聚類結(jié)果也會不同[29]。 聚類方法基于一般分為使用均值或中心星團中心的代表，聚類基于距離。如 k-means 算法，從數(shù)據(jù)對象作為初始聚類中心選擇首先 k 個對象，然后對剩余數(shù)據(jù)聚類。根據(jù)中心簇的大小之間的距離，該數(shù)據(jù)對象到簇，其中的最小距離，分割完成。然后計算每個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)點中心重繪對象，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)對最終聚類結(jié)果有很大的影響，同時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 信號樓層間衰減特性 ......... 22 
3.2 對指紋數(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 樓層實驗環(huán)境與實驗結(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，每一部分分別進行了介紹。并且對基于層次聚類的樓層定位方法進行實驗，在定位時間與定位精度上，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)集同時對數(shù)據(jù)集合較好地實現(xiàn)聚類。它能夠一次性地獲得整個聚類的過程，并生成一顆聚類樹。層次聚類首先將每個樣本各自成為一類，然后按照所需的距離準(zhǔn)則進行合并，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)向量值進行聚類，根據(jù)類間的平均距離進行循環(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，在把分好的類與實際樓層相結(jié)合，制成表格，為樓層進行定位時做準(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)的可維護性、可開發(fā)性、可擴展性，所以一個完美的樓層系統(tǒng)一方面要求應(yīng)用時能做到定位精準(zhǔn)不要有誤差或則誤差很小，另一方面要求系統(tǒng)能有一個良好的整體結(jié)構(gòu)，有利于維護和開發(fā)系統(tǒng)。 樓層定位系統(tǒng)選擇的是基于信號強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數(shù)據(jù)庫中的強度數(shù)據(jù)進行聚類，使測試點的數(shù)據(jù)直接與已劃分的類做比較，不需要與每個指紋數(shù)據(jù)做對比，大大節(jié)省了時間。從測試實驗結(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。同時對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理工作。 在高度方向上，樓層定位系統(tǒng)只能定位出測試點所在的樓層號，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時的加速度，有加速度的值進一步求出位移。今后也會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，可以選擇相應(yīng)的平面位置算法進行進一步確定位置。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號：246643