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楊錚 著

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齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302351139

商品編碼：29327365490

包裝：精裝

齣版時間：2014-01-01

基本信息

書名：位置計算：無綫網絡定位與可定位性(清華大學學術專著)

：39.00元

作者：楊錚

齣版社：清華大學齣版社

齣版日期：2014-01-01

ISBN：9787302351139

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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《位置計算：無綫網絡定位與可定位性》關於無綫定位的研究成果獲得教育部自然科學奬一等奬，國傢自然科學奬二等奬。本書榮獲中國大學齣版社圖書奬學術著作奬。本書作者團隊獲得ACM MobiCom 2014大會**論文奬。

本書由中國工程院孫傢廣院士審稿並作序，為國傢自然科學基金資助項目（編號61171067、61190110、61125202），國傢高技術發展研究計劃（863）資助項目（編號2011AA010100）和國傢重點基礎研究發展計劃（973）資助項目（編號2012CB316200）。

內容提要

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無綫通信技術的高速發展使得以手機、平闆電腦、筆記本電腦甚至小型無綫傳感器節點為代錶的移動計算終端迅速普及，目前已傳統的颱式計算機成為互聯網主要的終端設備。移動終端隨著使用者的移動或網絡部署的變化而隨時變換位置，其位置信息對於近些年來在移動計算領域大放異彩的位置服務具有重要意義。《位置計算：無綫網絡定位與可定位性》源自作者10年來在無綫定位領域科研工作的總結，包含無綫定位的基礎知識、技術特點、解決方案以及前沿研究成果。《位置計算：無綫網絡定位與可定位性》按照物理測量、位置計算、數據處理這條主綫來安排內容，著重討論物理測量、單跳位置估計、基於測距的多跳定位、基於非測距的多跳定位、移動連續定位、誤差控製、可定位性、室內定位和位置隱私等技術。《位置計算：無綫網絡定位與可定位性》麵嚮所有對定位技術感興趣的讀者。特彆地，《位置計算：無綫網絡定位與可定位性》可作為本領域科研人員的參考，研究生專業課程的教材，以及大學本科高年級學生的擴展閱讀材料。

目錄

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第1章 無綫定位概述
　
第2章 物理測量
　2.1 距離測量
　2.1.1 基於信號強度的測距模型
　2.1.2 基於信號到達時間的測距模型（ToA）
　2.1.3 基於信號到達時間差的測距模型
　2.2 角度測量
　2.3 區域測量
　2.3.1 單參考點的目標區域估計
　2.3.2 多參考點的目標區域估計
　2.4 跳數測量
　2.5 鄰居測量
　2.6 小結
　
第3章 單跳位置估計
　3.1 基於距離的定位方法
　3.2 基於到達時間差的定位方法
　3.3 基於到達角度的定位方法
　3.4 基於信號指紋的定位方法
　3.4.1 離綫測量方案
　3.4.2 在綫測量方案
　3.5 小結
　
第4章 基於測距的多跳定位
　4.1 計算組織方式
　4.2 集中式定位算法
　4. 2.1 多維標度（MDS）
　4.2.2 半定規劃（SDP）
　4.3 分布式定位方法
　4.3.1 基於錨節點的網絡定位
　4.3.2 坐標係拼接
　4.4 小結
　
第5章 基於非測距的多跳定位
　5.1 基於跳數的定位
　5.2 各嚮異絡中基於跳數算法的改進
　5.2.1 各嚮異絡中的基於PDM的定位
　5.2.2 帶洞網絡中的染色路徑
　5.2.3 基於Delaunay復體的定位
　5.3 基於相鄰性的定位算法
　5.3.1 PIT測試
　5.3.2 垂直綫相交
　5.3.3 相對距離估計
　5.4 小結
　
第6章 移動連續定位
　6.1 概述
　6.2 濛特卡羅定位
　6.2.1 粒子濾波器
　6.2.2 序貫濛特卡羅定位
　6.3 凸近似定位
　6.4 移動基綫定位
　6.5 小結
　
第7章 誤差控製
　7.1 測量誤差
　7.1.1 距離測量誤差
　7.1.2 含噪聲測距結果的負麵影響
　7.2 誤差特徵
　7.2.1 什麼是CRLB
　7.2.2 多跳定位的CRLB
　7.2.3 單跳定位的CRLB
　7.3 定位歧義性
　……
第8章 可定位性
第9章 室內定位
第10章 位置隱私

作者介紹

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楊錚，清華大學計算機係工學學士，香港科技大學計算機係工學博士，現任清華大學軟件學院助理教授，可信網絡與係統研究所助理所長，清華大學教育部信息係統安全重點實驗室成員。主要研究方嚮包括無綫網絡、普適計算以及移動計算。纍計發錶論文50餘篇，齣版英文專著1部。擔任INFO（2013，2014），ICDCS（2012，2013），MobiHoc2014等國際學術會議程序委員以及SCI期刊的編委。2011年獲得國傢自然科學奬二等奬。
　　
　　吳陳沭，清華大學軟件學院工學學士，清華大學計算機係博士生。在ACMMobiCom，IEEEINFO等國際會議發錶多篇論文。曾獲研究生國傢奬學金、斯倫貝謝奬學金、清華大學計算機係“學術新秀”稱號等。2010年至今擔任清華大學軟件學院本科生輔導員，2013年獲清華大學“林楓輔導員奬”。
　　
　　劉雲浩，清華大學長江學者特聘教授、博士生導師，清華大學軟件學院院長，ACM中國理事會主席。2008年因傳感網創新應用被香港授予*創新與研究特等奬。2010年獲得教育部自然科學一等奬。2011年獲得國傢自然科學奬二等奬及國傢傑齣青年科學基金。擔任國際期刊《IEEETransactionsoriParallelandDistributedSystems》副主編（AssociateEditors-in-Chief）和《IEEE/ACMTransactionsonNetworking》編委。

文摘

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序言

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《無綫網絡定位：理論、算法與應用》 一、 導論：無處不在的定位需求 在信息時代浪潮的推動下，定位技術早已不再局限於傳統的GPS係統，而是深度滲透到我們生活的方方麵麵。從智能手機的室內導航、社交媒體的位置標記，到智慧城市的交通管理、應急救援響應，再到工業物聯網的資産追蹤、智能製造的精準控製，無綫網絡定位的需求日益增長，其重要性也愈發凸顯。 相較於GPS係統依賴衛星信號，在室內、地下或高樓林立的城市峽榖等環境下容易齣現信號衰減甚至失效，無綫網絡定位則可以充分利用現有的Wi-Fi、藍牙、蜂窩網絡等無綫通信基礎設施，提供一種補充甚至更優的定位解決方案。這種靈活性和普適性使得無綫網絡定位成為解決復雜環境下定位難題的關鍵技術。 本書旨在深入探討無綫網絡定位的理論基礎、核心算法、關鍵技術以及廣泛的應用前景。我們將從定位的基本原理齣發，逐步深入到各類無綫定位技術的演進、技術挑戰，以及最新研究進展，為讀者提供一個全麵、係統且深入的認知框架。 二、 無綫網絡定位的基礎理論 無綫網絡定位的核心在於利用無綫信號傳播的物理特性來推斷設備的位置。這些特性主要包括： 1. 信號強度（Received Signal Strength Indicator, RSSI）：這是最常用的定位信息之一。無綫信號在傳播過程中會隨著距離的增加而衰減。通過測量目標設備接收到的不同基站（如Wi-Fi AP、藍牙信標、蜂窩基站）的信號強度，並結閤信號傳播模型，可以估算齣設備與各基站的距離，進而進行定位。然而，RSSI易受環境噪聲、多徑效應、障礙物吸收等因素的影響，導緻定位精度不高，是無綫定位中的一大挑戰。 2. 到達時間（Time of Arrival, ToA）：如果能夠精確測量信號從發射端到達接收端所需的時間，並已知信號的傳播速度（通常是光速），那麼就可以直接計算齣設備與基站之間的距離。ToA定位精度較高，但對時間同步的要求非常嚴格，需要基站和設備之間實現毫秒級甚至更精細的時間同步，這在實際部署中往往難以實現。 3. 到達時間差（Time Difference of Arrival, TDoA）：與ToA類似，TDoA測量的是信號從兩個或多個基站到達目標設備的時間差。例如，如果兩個基站同時發射信號，設備接收到第一個信號後過瞭一段時間t纔收到第二個信號，那麼根據信號傳播速度，可以確定設備位於一個以兩個基站連綫為直徑的圓上（對於兩個基站）或雙麯麵上（對於三個或更多基站）。TDoA也需要基站之間精確的時間同步，但相比ToA，對設備本身的時間同步要求較低。 4. 到達角（Angle of Arrival, AoA）：利用定嚮天綫陣列測量接收到的信號到達的角度。如果能夠從兩個或多個基站測量到信號的到達角，理論上就可以確定目標設備的位置。AoA定位的精度很大程度上取決於天綫陣列的設計和角度測量精度，對信號的多徑效應也較為敏感。 5. 相位差（Phase Difference）：利用無綫信號的相位信息進行定位。當信號在傳播過程中經過一個整數倍的波長，相位會發生周期性變化。通過測量信號的相位差，可以估算齣目標與基站之間的距離。相位差定位通常用於短距離高精度定位，但同樣麵臨周期模糊和多徑效應的挑戰。 三、 主流無綫定位技術詳解 基於上述基礎理論，發展齣瞭多種實際的無綫網絡定位技術： 1. Wi-Fi 定位： 指紋（Fingerprinting）：這是目前最流行和廣泛應用的Wi-Fi定位方法之一。它分為離綫階段（Offline Phase）和在綫階段（Online Phase）。 離綫階段：首先，在一個已知地圖的區域內，人工或自動地采集大量不同位置點的RSSI指紋。一個指紋通常包含該點接收到的所有可見Wi-Fi AP的MAC地址及其對應的RSSI值。這些數據被存儲在一個指紋數據庫中，並與實際地理位置關聯。 在綫階段：當需要定位一個目標設備時，設備會掃描當前可見的Wi-Fi AP，記錄其RSSI值，形成一個實時的指紋。然後，該實時指紋與指紋數據庫中的記錄進行比對。通過各種匹配算法（如k近鄰算法、概率估計等），找到與實時指紋最相似的離綫位置，並將該位置作為目標的估計位置。 三角測量/多邊測量（Trilateration/Multilateration）：如果能夠精確測量設備與三個或更多Wi-Fi AP的距離，則可以通過三角測量（二維）或多邊測量（三維）的方法來計算設備的位置。然而，Wi-Fi AP通常不提供精確的測距能力，RSSI測量的不確定性使得直接應用此方法精度有限。 ToF（Time of Flight）/RTT（Round-Trip Time）：Wi-Fi協議（如802.11mc）開始支持ToF/RTT測量，這使得Wi-Fi AP和設備之間可以測量信號的往返時間，從而實現比RSSI更精確的測距。這有望提高Wi-Fi定位的精度，但需要設備和AP都支持相應的協議。 2. 藍牙（Bluetooth）定位： iBeacon/Eddystone：蘋果的iBeacon和Google的Eddystone是基於低功耗藍牙（BLE）的定位技術。部署在固定位置的藍牙信標（Beacon）周期性地廣播其身份標識符（UUID、Major、Minor），目標設備（如智能手機）接收到這些廣播信息。通過測量設備的RSSI值，並結閤事先建立的指紋數據庫或利用BLE的測距特性，可以實現室內定位。iBeacon/Eddystone的優勢在於部署成本低、功耗小，非常適閤在商場、博物館等場景下提供室內導航和位置服務。 AoA/AoD：新一代藍牙標準（如Bluetooth 5.1及以後）引入瞭AoA（Angle of Arrival）和AoD（Angle of Departure）技術，允許設備和信標使用天綫陣列測量信號的角度，從而實現更精確的定位，尤其是在室內環境中。 3. 蜂窩網絡定位： 基站三角測量：利用目標設備連接的多個蜂窩基站的測量信息（如RSSI、ToA/TDoA、AoA）來進行定位。這是運營商最基礎的定位手段，常用於緊急呼叫（如110、911）的位置報告。 Assisted GPS (A-GPS)：A-GPS結閤瞭GPS和蜂窩網絡。蜂窩網絡可以嚮設備提供GPS衛星的輔助數據（如星曆、時間信息），幫助GPS接收器更快地鎖定衛星信號並進行定位，提高定位速度和成功率。 Cell ID定位：最粗略的定位方式，僅知道設備連接的基站的覆蓋區域，定位精度非常低，僅能提供“在哪個區域”的指示。 4. 超寬帶（Ultra-Wideband, UWB）定位： UWB技術使用極短的脈衝信號在極寬的頻譜範圍內傳播，具有極高的精度和抗多徑能力。其核心定位方式是ToF/TWR（Two-Way Ranging），通過精確測量信號的往返時間，可以實現厘米級的定位精度。UWB適閤對精度要求極高的場景，如工業自動化、倉儲管理、資産追蹤、AR/VR應用等。 四、 無綫定位的關鍵技術與挑戰 實現高精度、高可靠性的無綫網絡定位，需要剋服諸多技術挑戰： 1. 信號傳播模型與環境建模： 信號衰減模型：如自由空間傳播模型、對數距離傳播模型、Okumura-Hata模型等，用於描述信號強度隨距離的變化。但現實環境復雜，這些模型往往需要針對特定場景進行修正和優化。 多徑效應：信號在傳播過程中遇到障礙物（牆壁、傢具等）會發生反射、衍射和散射，形成多條傳播路徑到達接收端，導緻信號失真和RSSI波動，是影響定位精度的主要因素之一。 環境動態性：室內環境中的人員流動、門窗開關、臨時障礙物等都會改變信號傳播路徑，影響定位的穩定性和精度。 2. 定位算法： 基於距離的定位：如最小二乘法（Least Squares）、加權最小二乘法（Weighted Least Squares）、最大似然估計（Maximum Likelihood Estimation, MLE）等，用於根據距離信息進行位置解算。 基於指紋的匹配算法：如k-Nearest Neighbors (k-NN)、Probabilistic Models、Gaussian Mixture Models (GMMs)、Deep Learning (DL) 等，用於在指紋數據庫中尋找與實時指紋最匹配的位置。 傳感器融閤：結閤來自不同傳感器（如加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計）的數據，可以顯著提升定位係統的魯棒性和精度，尤其是在GPS信號弱或缺失的情況下。例如，利用慣性測量單元（IMU）進行航位推算（Dead Reckoning），可以平滑短時內的定位軌跡。 機器學習與深度學習：近年來，機器學習和深度學習在無綫定位領域展現齣巨大的潛力。通過訓練神經網絡模型，可以學習復雜的信號傳播規律和環境特徵，從而提高定位精度和適應性。例如，使用捲積神經網絡（CNN）處理RSSI數據，或者使用循環神經網絡（RNN）處理時序數據。 3. 部署與校準： AP/信標部署：閤理規劃AP或信標的數量、位置和發射功率，以覆蓋目標區域並優化信號質量。 校準與維護：指紋定位需要定期更新指紋數據庫，以適應環境變化。AP/信標的參數校準也至關重要。 4. 隱私與安全： 定位技術的使用涉及到用戶的位置信息，如何保護用戶的隱私，防止位置信息被濫用，是必須認真考慮的問題。 五、 無綫網絡定位的應用領域 無綫網絡定位技術的廣泛應用正在深刻地改變我們的生活和社會： 1. 智能手機與個人定位： 室內導航：在大型商場、機場、醫院、辦公樓等復雜室內環境中提供精準的導航指引。 位置服務（LBS）：基於用戶位置提供個性化的信息、推薦、社交功能，如查找附近餐廳、好友位置共享等。 安全與緊急服務：在緊急情況下，自動上報用戶位置信息，協助救援。 2. 智慧城市： 交通管理：車輛追蹤、交通流量監測、停車位管理、公共交通優化。 環境監測：部署環境傳感器，利用其位置信息構建環境地圖。 公共安全：應急響應、人員搜救、嫌疑人追蹤。 3. 工業物聯網（IIoT）與智能製造： 資産追蹤：實時監控工廠內設備、原材料、半成品、成品的精確位置。 人員安全：監測工人的活動區域，確保其處於安全區域。 AGV/機器人導航：實現自動化導引車（AGV）和機器人的自主導航與協同作業。 精準作業：輔助工人進行裝配、維修等高精度操作。 4. 倉儲與物流： 貨物追蹤與管理：實時掌握庫存貨物的精確位置，優化揀貨路徑。 設備調度：優化叉車、搬運機器人等設備的調度。 5. 醫療保健： 患者監護：監測老年人或行動不便的患者的位置，防止走失。 醫療設備追蹤：定位醫院內的醫療設備，提高使用效率。 手術輔助：在手術中提供高精度定位，輔助醫生操作。 6. 增強現實（AR）與虛擬現實（VR）： 場景理解：AR/VR應用需要精確瞭解用戶在真實世界中的位置和姿態，以實現虛擬與現實的融閤。 六、 未來展望 隨著5G/6G通信技術的發展、物聯網設備的普及以及人工智能技術的飛速進步，無綫網絡定位將迎來更加廣闊的發展空間。未來的研究方嚮將更加聚焦於： 超高精度定位：實現亞米級甚至厘米級的定位精度，滿足更嚴苛的應用需求。 低功耗與低成本：進一步降低定位係統的功耗和部署成本，使其能廣泛應用於海量物聯網設備。 魯棒性與可靠性：提升定位係統在復雜、動態、乾擾環境下工作的穩定性和可靠性。 隱私保護與安全：在提供定位服務的同時，更加重視用戶隱私的保護和數據安全。 一體化與融閤化：將無綫定位與其他感知技術（如計算機視覺、聲學感知）深度融閤，構建更強大的空間感知能力。 標準化與互操作性：推動相關標準的製定，促進不同廠商、不同技術之間的互聯互通。 本書的編寫，旨在為讀者構建一個紮實的理論基礎，並引導讀者深入理解無綫網絡定位技術的精髓，激發對這一充滿活力的技術領域的探索與創新。我們期望本書能成為相關領域的研究者、工程師以及愛好者的寶貴參考。

評分☆☆☆☆☆

翻開這本書，最先吸引我的是其明確的指嚮性。“位置計算：無綫網絡定位與可定位性”，這幾個字精準地概括瞭本書的核心內容，讓我一目瞭然。加之“正版現貨”的字樣，讓我在購買前就對這本書的真實性和可靠性有瞭極大的信心，這是很多書籍無法提供的保證。而“清華大學學術專著”的標簽，更是為這本書的內容質量和深度打下瞭包票，預示著這將是一本值得深入研讀的學術佳作。我對無綫網絡定位技術一直抱有濃厚的興趣，尤其是隨著物聯網和5G技術的飛速發展，位置信息的重要性日益凸顯。這本書的齣現，讓我看到瞭一個深入瞭解這一領域的機會，特彆是“可定位性”這個概念，讓我對書中將要探討的定位技術的局限性、魯棒性和優化策略充滿瞭好奇，我堅信這本書將是我探索無綫網絡定位世界的絕佳起點。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀質量也屬上乘，紙張的質感和印刷的清晰度都相當不錯，這對於一本學術專著來說是非常重要的。封麵的設計語言，雖然簡潔，卻透露齣一種嚴謹和專業的學術氣息，與“清華大學學術專著”的定位十分契閤。看到“正版現貨”的字樣，我能感受到齣版方在保證産品質量和用戶體驗上的用心。我一直認為，一本好的學術書籍，不僅要有紮實的理論內容，還要有精良的製作，這樣纔能讓讀者在閱讀過程中獲得更好的體驗，也更能體現其學術價值。我希望這本書能夠引領我進入無綫網絡定位這個充滿魅力的領域，深入瞭解其背後的原理和各種實現方式。對於“可定位性”這個概念，我感到非常好奇，它似乎暗示瞭在定位過程中可能存在的局限性和需要考量的因素，這讓我覺得這本書會非常全麵和深入。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名，尤其是“位置計算”和“無綫網絡定位與可定位性”這幾個關鍵詞，立刻引起瞭我極大的興趣。作為一名對新技術充滿好奇的讀者，我一直對如何讓設備在虛擬世界中擁有精確的“身份”和“位置”感到著迷。而“正版現貨”的承諾，讓我對購買這本書充滿信心，確保瞭信息的準確性和完整性。清華大學學術專著的背景，則說明瞭這本書的學術嚴謹性和前沿性，這正是我在尋找的。我一直認為，理解一項技術的“可定位性”至關重要，它不僅關乎技術的實現，更關乎其應用場景的拓展和局限的認識。這本書的齣現，恰好填補瞭我在這方麵的知識空白，我期待它能夠帶領我深入探索無綫網絡定位的奧秘，並理解其背後的關鍵技術和挑戰，為我未來的學習和研究提供堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

第一眼看到這本書，它的標題就牢牢抓住瞭我的目光。“位置計算：無綫網絡定位與可定位性”，這幾個字像是一種召喚，直接指嚮瞭我一直以來所關注的那個技術交叉領域。我尤其看重“正版現貨”的保證，這讓我能夠放心地投入時間和精力去閱讀和學習，不用擔心盜版帶來的信息失真或內容缺失。清華大學學術專著的背景，則為這本書的內容質量和深度提供瞭強有力的背書，讓我對接下來的知識探索充滿瞭期待。我對於無綫網絡定位的興趣由來已久，從最初的GPS，到如今越來越普及的Wi-Fi定位、藍牙信標等，我一直在思考這些技術是如何實現的，以及它們在不同場景下的優劣勢。而“可定位性”這個詞，更是引發瞭我深入思考，它意味著並非所有地方、所有設備都能被精確地定位，背後一定存在著復雜的理論和技術考量，這一點讓我覺得這本書將極具深度和實踐指導意義。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計給我留下瞭深刻的印象，它簡潔而又不失專業感，主色調的運用恰到好處，給人一種穩重而可靠的感覺。書名“正版現貨”四個字，讓我對購買體驗充滿瞭信心，這在如今的市場環境下，無疑是一個重要的加分項。而“位置計算：無綫網絡定位與可定位性”這個副標題，則直擊核心，讓我能夠迅速瞭解這本書所涵蓋的主題。清華大學學術專著的標簽，更是讓我對內容的深度和嚴謹性有瞭更高的期待。我一直對無綫通信和定位技術非常感興趣，尤其是在智能手機和物聯網日益普及的今天，精確的位置信息變得越來越重要。我相信這本書能夠提供給我紮實的理論基礎和前沿的研究進展，幫助我更好地理解這個領域的關鍵技術和挑戰。我迫不及待地想翻開這本書，去探索它所蘊含的知識寶藏，也希望它能為我的學習和研究帶來新的啓發和方嚮。