室内地理定位科学与技术(在智能世界和物联网的应用)/电子信息前沿技术丛书 通讯 (美)卡维·帕拉文

自20世纪90年代中期以来，在全球定位系统（Global Positioning System,GPS）无法正常工作的室内和城市区域，无线定位技术一直是商业和公共安全应用研究的重要领域。在撰写本书时，基于接收信号强度（Received Signal Strength,  RSS）的WiFi定位已经在智能设备的商业市场上占据主导地位，这是对基于到达时间（Time of Arrival, TOA）技术的蜂窝小区基站定位和GPS的有效补充。这些智能设备包括智能手机、记事本、平板电脑、阅读器和笔记本电脑，其中有些设备并不具备蜂窝通信功能或GPS技术。WiFi定位技术利用WiFi设备在全球范围内的随机部署，以合理的精度支持室内和城市地区的定位，应用于从以Yelp为代表的现代基于位置的业务查找服务到传统的导航系统等数十万种应用程序在智能设备上的定位需求。公共安全和军事应用要求对一线工作人员进行更精确的定位，正在开发更为复杂的混合技术完成这类精确的室内地理定位。用于这些混合技术的射频（Radio Frequency, RF）定位技术旨在通过基于TOA的定位来提高定位精度。混合算法使用多种传感器测量运动的速度和方向，并将它们与射频定位相结合。本书中讨论了这些技术在室内和城市地区用于商业和军事应用的地理定位的实际问题。此外，我们将研究人体内定位所面临的挑战，这是无线健康产业未来研究的一个领域。
科学与工程学科正在从其传统的重点课程转变为以创新创业为导向的“多学科”课程和“跨学科”研究。这种教育形式要求课程更新和调整更加频繁，教育内容以项目为导向，在研究项目中形成跨学科协作的能力。这种形式的成功转型，需要企业家精神和有远见的人才来适应这些频繁的变化，并且需要产业经验来引导转型，向新兴的跨学科产业发展。室内和城市地区机会定位就是在过去的几十年里出现的一个多学科研究和学术领域的优秀例子。室内和城市地区机会信号定位的教学涉及数个学科，如无线电传播分析、信号处理、检测和估计理论以及定位算法。机会定位课程的内容对传统的ECE和CS专业学生以及新兴的多学科专业（如机器人和生物医学工程）的学生非常有用，同时对于和ECE类似的传统机械和土木工程专业转向相关交叉学科方向也大有裨益。因此，有必要在这些交叉学科专业中设置相关学术课程并编写综合教科书，用以教授机会信号定位的基本原理。
为了编写一本在交叉学科技术领域的学术课程中使用的教科书，我们需要提供一些在学科实践方面的精选资料，以便让读者直观地感受到这些学科是如何运作和相互作用的。为了实现这一目标，我们在本书中描述了重要的定位系统技术，以富有逻辑的方式对相应的基础学科和工程门类进行了分类，并详细介绍了科学和工程转化为流行应用的成功案例。在一个基于多学科且技术多样化的领域，为教学课程选择详细的技术资料是非常具有挑战性的，而且由于这些技术成果来自具有不同技能背景的人，使得这一挑战变得更加困难。
本书全面论述了机会定位理论和技术在室内和城市地区定位中的应用。本书的新颖之处在于，它强调了无线电传播和物理层问题，这些问题与如何将接收到的无线通信信号用于各种无线通信网络中的机会射频定位有关。本书的结构和顺序是作者在马萨诸塞州伍斯特理工学院研究生院（Worcester Polytechnic Institute, WPI）的一个题为“无线接入和定位”的系列讲座中首次形成的。
本书的开头阐述了定位在智能世界中的重要性，接下来的三个部分包括九个正文章节和一个附录。部分包括基于RSS的定位的两章。第二部分包括基于TOA的定位的三章，其中到达方向（Direction of Arrival, DOA）系统由于依赖于TOA估计，被认为是TOA系统的一部分。在部分和第二部分中，分析、评估性能的工具是CramerRao下界（CramerRao Lower Bound, CRLB），本书中将它与性能评估的实证结果进行了比较。第三部分在剩余的四章中详细介绍了实际应用的定位算法： 基本定位算法、RSS系统中使用的模式识别算法、基于细化TOA估计的TOA算法以及融合相对和定位技术的混合算法。本书的附录是一个独立的章节，专门回顾了经典估计理论在测距和定位中的应用。附录介绍了在RSS和TOA定位技术中的CRLB理论及其推导原理。

新兴的交叉学科领域，如无线网络、机器人和无线定位等，会涉及多种学科。具有不同技能和学科背景的研究人员在一个特定项目的不同方面工作，但他们在这项工作中获得的经验是不同的，并且这种经验集中在他们的个人技能和知识储备上。因此，研究工作的细节，从研究成果中产生的课程内容，以及同一主题的相关书籍也都是基于作者的技术经验和学术背景的。在本书相关的室内和人体内无线电传播方式的经验测量和建模的方向上，本书作者在其中的室内地理定位设计和性能评估方面具有开创性的研究经验和产业实践经验。本书内容基于作者学生所做研究和开发的例子，作者作为教授的教学经验，以及作为初创公司技术顾问的经验。因此，本书综合了作者学生研究论文的结果、业界同行的专利，以及作者的课程笔记，面向开始在这个新兴研究领域接受教育的研究生，向读者介绍几十年来的研究结果。
作者

定位科学和技术作为推动智能世界发展的基本技术，在过去的几十年里取得了相当大的发展，在GPS无法正常工作的室内和城市区域，无线定位技术的发展一直是商业、公共安全和军事应用研究的活跃领域。 本书全面论述了定位和导航科学和技术的基本原理，及其在智能世界和物联网中的应用，如智能设备、智能空间、机器人平台、智能健康、智能交通等。主要内容包括基于RSS的定位、基于TOA的定位以及实际应用的定位算法，指导读者对位置传感器的行为建模，使用CRLB的性能评估以及优化定位系统精度的算法设计。 本书主要针对高年级本科生、研究生和从事实际工作的工程师撰写，提供的素材主要源自作者团队在实验室的研发实例，以及作者作为大学教授的教学经验、作为初创公司技术顾问的工业经验。

Kaveh Pahlavan，伍斯特理工学院（WPI）电气和计算机工程（ECE）、计算机科学（CS）专业教授，无线信息网络研究中心主任。担任Skyhook Wireless公司（全球智能设备Wi-Fi定位领域的先驱）首席技术顾问（2005年至今）。与芬兰的奥卢大学和诺基亚公司进行了长期且有成效的合作（1995—2007年）。以在Wi-Fi和室内地理定位方面的开拓性研究而闻名，为相关领域的众多开创性论文和关键专利做出了贡献。目前主要研究人体局域网的定位技术和基于位置的安全性。著有多部开创性的教科书，被翻译成多种语言并在世界各地讲授。国际期刊《无线信息网络》（创办于1994年，无线网络领域的本期刊）的创始主编。开创、主持和组织了许多在无线接入和定位技术领域具有开拓性的国际活动，包括关于新兴智能设备的机会射频定位的研讨会（2008、2010、2012年）。由于在无线网络行业发展中的开拓性创业活动，当选美国国家研究理事会非束缚通信演进委员会成员（1997年），并领导美国团队对芬兰国家研发计划进行评审（2000、2003年）。IEEE life Fellow，伍斯特理工学院Westin Hadden教授（1993—1996年），诺基亚公司的位非芬兰籍研究员（1999年）。获得首个Fulbright-Nokia奖学金（2000年），WPI董事会颁发的“杰出研究和创意奖学金”（2011年），中原大学“海外著名学者奖”，担任北京科技大学客座教授（2019—2021年）。      译者：何欣欣，北京邮电大学讲师、硕士生导师。2017年博士毕业于北京邮电大学，2017—2019年在北京邮电大学做博士后工作，2019年博士后出站后在北京邮电大学信息与通信工程学院任教。 “通信原理”和“信息论基础”课程主讲教师，精品课程“通信原理”团队成员。研究方向为无线通信原理与技术应用等。在国际重要期刊和会议上发表论文20多篇，主持国家自然科学基金1项，中国博士后科学基金1项，合作国家自然基金1项，作为骨干参与多项国家自然基金项目以及重点研发计划项目。
郭一珺，北京邮电大学副教授、博士生导师。2014年毕业于北京邮电大学，获通信与信息系统专业博士学位，毕业后在北京邮电大学信息与通信工程学院任教。研究方向为无人机通信等。在国际重要期刊和会议上发表论文30多篇，主持国家自然科学基金1项；作为子项目负责人主持国家重点研发计划1项；作为骨干（排名二、三）参与多项国家自然基金项目。精品课程、国家精品在线开放课“通信原理”主讲教师兼课程组骨干成员。2018年获全国高等学校电子信息类专业青年教师授课竞赛决赛一等奖。
郝建军，北京邮电大学副教授、硕士生导师。研究方向为宽带无线通信理论、嵌入式通信应用、物联网和区块链等。分别于1990年、1993年、2008年在北京邮电大学获得学士、硕士和博士学位。北邮教学奖“烛光奖”获得者，精品课程“通信原理”核心团队成员。主持和参与国家863、自然科学基金（NSFC）等科研项目及与企业合作研发项目20多项，出版教材及专著多部，在国内外重要学术刊物及会议上发表论文近20篇，提交技术发明专利15项，其中已授权6项。

第1章智能世界中的定位

1.1引言

1.2定位科学的要素

1.3定位技术及应用

1.3.1智能设备中

的定位

1.3.2机器人中的定位

1.3.3智能健康应用中

的定位

1.3.4智能空间与定位

1.3.5智能交通系统中

的定位

1.3.6智能基础设施中

的定位

1.4定位中存在的挑战

1.5本书概述

第1章作业

第2章RSS测距原理

2.1引言

2.2RSS的行为建模

2.2.1RSS模型参数的

小二乘法估计

2.2.2人体内部RSS的

NIST模型

2.2.3室内区域的IEEE 

802.11模型

2.2.4城市地区的Okumura

Hata模型

2.2.5阴影衰落和定位

应用

2.3基于RSS测距的基本方法

和测距误差

2.3.1基于RSS测距的

基本方法

2.3.2DME方差的分析

方法

2.4基于RSS测距的经典估计

理论

2.4.1基于RSS测距的ML

和MMSE估计

2.4.2基于多RSS测量的

距离估计

2.4.3基于RSS测距的

CRLB

2.4.4基于多RSS测距

的CRLB

2.5基于RSS测距的置信

区间

2.5.1基于RSS测距的圆形

置信区域

2.5.2基于RSS测距的环形

置信区域

2.5.3覆盖率和置信度

第2章作业

习题

项目

第3章RSS定位系统

3.1引言

3.2RSS定位方法的性能

3.2.1直接使用RSS

定位

3.2.2CRLB用于RSS

定位

3.2.3基于RSS的指纹

测距

3.2.4使用RSS指纹数据库
进
行定位的CRLB

3.3基于RSS的定位系统

3.3.1在人体内部基于

RSS的定位

3.3.2基于RSS的无源

RFID系统

3.3.3基于RSS的有源

RFID系统

3.4使用RSS指纹数据库的

定位系统

3.4.1使用RSS指纹进行RTLS 

WiFi定位

3.4.2使用RSS指纹进行

WPS WiFi定位

3.4.3WPS对比GPS

3.4.4WPS和有机数据

3.4.5使用RSS指纹进行
CPS
蜂窝基站定位

第3章作业

习题

第4章TOA定位的基本原理

4.1引言

4.2实际中TOA测量

4.2.1TOA的NB和WB

测量

4.2.2测量时间、噪声和信

噪比

4.2.3NB和WB TOA测量
中
的模糊度

4.2.4利用两个正弦波控制

NB模糊度

4.3用于TOA测距的CRLB

4.3.1基于TOA和RSS的
测
距比较

4.3.2利用载波信号进行TOA

测距的CRLB

4.3.3CRLB用于双音TOA

测距

4.3.4使用多载波传输TOA

测距的CRLB

4.3.5使用平坦频谱脉冲

进行TOA测距的

CRLB

4.3.6用于TOA定位的

CRLB

4.4基于DOA的定位性能

4.4.1用于双天线DOA估计

的CRLB

4.4.2用于使用天线阵列

进行DOA估计的

CRLB

第4章作业

习题

第5章机会信号TOA定位

5.1引言

5.1.1用于 TOA 定位的
机会
信号

5.2用于 TOA 定位的脉冲

传输

5.2.1用于 3.1~10.6GHz 

机会定位的UWB

脉冲

5.2.2在57~64GHz用于

定位的毫米波

UWB 脉冲 

5.2.3用于机会定位的伪

DSSS脉冲

5.3用于TOA定位的多载波

传输

5.3.1用于机会定位的
OFDM
信号

5.3.2用于机会定位的

FHSS

5.4飞行时间测量的同步

5.4.1滑动相关器用于时间

同步

5.4.2UTDOA用于相对
定时
定位

5.4.3使用应答器避免

同步

5.5非均质环境中的 TOA 

定位

5.5.1非均匀介质和差分

 GPS

5.5.2非均匀人体内的飞行

时间

第5章作业

习题

第6章多径环境下的TOA定位

6.1概述

6.2多径和定位系统

6.2.1多路径传输的

原因

6.2.2多径对TOA测距的

影响

6.2.3多径定位系统

技术

6.2.4室内多径和TOA
定位
的特点

6.2.5室外多径和TOA
定位
特点

6.3多径TOA的NB和WB

估计

6.3.1多径和NB TOA

测距

6.3.2多径和WB TOA

测距

6.3.3基于TOA的多径
测距
CRLB

6.4多径信道特性测量

6.4.1多径到达的时域

测量

6.4.2多径到达的频域

测量

6.4.3使用VNA测量UWB

多径到达

6.5基于TOA的DME的实证

分析

6.5.1带宽对DME影响的

实证分析

6.5.2LOS和OLOS条件下
TOA
的实证分析

6.5.3人体影响的实证

分析

6.5.4DME的超宽带

限制

6.5.5NIST现有的UWB
室内
测量数据库

6.6TOA测距误差的UWB

建模

6.6.1室内DME的UWB

经验模型

6.6.2人体影响的UWB
经验
模型

6.7用于室内射频定位的射线跟踪

技术

6.7.1多径分析的射线追踪

原理

6.7.2用于在房间内跟踪

射线的MATLAB

代码

6.7.3射线跟踪和带宽对
TOA
测距的影响

6.8室内定位射线跟踪

6.8.1大型金属物体的影响

分析

6.8.2利用衍射分析微观
金属
的作用

6.8.3人体对TOA估计的

影响

6.9体域网络定位的
计算
方法

6.9.1针对BAN应用的FDTD

方法的验证

6.9.2BAN有限元方法的

验证

6.9.3从内部到人体表面的

TOA建模

附录6.A

附录6.B

第6章作业

习题

项目

第7章定位算法介绍

7.1引言

7.2基本的三角定位方法

7.2.1使用(R，α)的三角定

位法

7.2.2使用(α，α)的三角定

位法

7.2.3使用(R，R)的三角定

位法

7.2.4使用(ΔR,ΔR)进行
微
分三角定位

7.2.5协作三角测量法

7.3LS方法在定位中的应用

7.3.1LS方法在角度定位
中
的应用

7.3.2LS方法在距离定位
中
的应用

7.4LS问题的实际解决办法

7.4.1RLS算法在距离定位

中的应用

7.4.2室内和城市地区残
差加
权RLS算法

7.4.3近邻LS网格

算法

附录7.A： 示例7.2的RLS的

MATLAB代码

第7章作业

习题

第8章基于RSS的定位算法

8.1引言

8.2基于RSS的短距离定位

算法

8.2.1物理网格近邻

算法

8.2.2用于基于RSS定位
的
CNLS

8.2.3概率网格近邻

算法

8.2.4似然网格三角

算法

8.3用于WPS的模式识别

算法

8.3.1质心算法和AP数据
库
的QoE

8.3.2用于设备定位的加权

质心算法

8.3.3有机数据和隐藏AP
的
定位

8.4RTLS的模式识别算法

8.4.1近邻功率差

算法