定位感知系統(tǒng)綜述

摘要：首先概述定位感知系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和體系結(jié)構(gòu)，然后分別對(duì)定位感知系統(tǒng)的定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、位置系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等幾個(gè)組成部分進(jìn)行介紹。著重討論相關(guān)支撐技術(shù)，為研究人員提供了一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：定位感知計(jì)算； 定位系統(tǒng)； 位置系統(tǒng)； 位置相關(guān)服務(wù)

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：10013695(2007)04001605

0引言

上下文感知計(jì)算描述了普適計(jì)算系統(tǒng)本身對(duì)物理世界信息的認(rèn)知和反應(yīng)能力，其內(nèi)容包括用戶標(biāo)志、物理位置、天氣狀況、時(shí)間、日期、季節(jié)、用戶狀態(tài)等。其中，最重要的是位置和標(biāo)志^[1]。

位置信息是上下文中最重要的信息之一^[2]，在許多情況下，可以用來選擇、過濾其他信息。獲取位置信息是上下文感知系統(tǒng)最基本的任務(wù)^[3]，例如查詢某個(gè)對(duì)象附近五公里范圍內(nèi)的其他對(duì)象信息。系統(tǒng)需要首先知道該對(duì)象自己的位置，也需要知道哪些對(duì)象位于該位置五公里范圍內(nèi)，隱含了要知道其他對(duì)象的位置信息。因此，定位感知（英文名詞為L(zhǎng)ocationaware，國(guó)內(nèi)多翻譯為定位感知，為與相關(guān)文獻(xiàn)保持一致，筆者沿襲這一翻譯，但該翻譯不太準(zhǔn)確，應(yīng)譯作位置感知或場(chǎng)所感知）正變成普適計(jì)算系統(tǒng)中最基本的功能之一^[4]。

1概述

定位感知系統(tǒng)涉及到地理信息、自動(dòng)化控制、無線網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星定位、數(shù)據(jù)管理和挖掘等多學(xué)科技術(shù)的融合，是一類特殊的移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)，未來可望構(gòu)成普適計(jì)算系統(tǒng)的基石。

1.1兩個(gè)原型系統(tǒng)

定位感知系統(tǒng)的研究歷史比較短。初期的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——Olivetti Research Laboratory(現(xiàn)為ATT Cambridge研究室)的Active Badge和Xerox Palo Alto Research Center的PARCTab Project，都是在Roy Want的領(lǐng)導(dǎo)和參與下完成的。

Active Badge系統(tǒng)（1988—1991年）是一個(gè)室內(nèi)定位系統(tǒng)，也是首個(gè)位置相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，室內(nèi)墻壁上鑲嵌了一些紅外傳感器，實(shí)驗(yàn)人員攜帶一個(gè)電子徽章（不是一臺(tái)計(jì)算機(jī)），每10s向周圍的紅外傳感器發(fā)射一次紅外信號(hào)；中央服務(wù)器收集來自紅外傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算出攜帶者的位置，并根據(jù)電子徽章攜帶者的位置控制附近工作站上運(yùn)行的程序行為。

PARCTab系統(tǒng)也是一個(gè)室內(nèi)定位感知系統(tǒng)，是1991年后Roy Want加入了Xerox PARC的普適計(jì)算計(jì)劃并領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)項(xiàng)目。按照Roy Want先生的說法，它真正地工作在上下文感知系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)人員攜帶一個(gè)可以收發(fā)紅外信號(hào)的PDA行走在不同房間，并用它發(fā)出命令，在外圍系統(tǒng)中運(yùn)行相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)果（包括位置信息）在PDA上顯示。

這兩個(gè)系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，只具有基本的定位功能和幾個(gè)位置相關(guān)的功能，沒有足夠的應(yīng)用價(jià)值，而且是將定位系統(tǒng)與通信系統(tǒng)緊密集成在一起。但卻開啟了定位感知計(jì)算的研究，為后來的進(jìn)一步研究邁出了探索性的一步。從這方面來說，Roy Want先生作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

1.2定位感知系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的定位感知系統(tǒng)可用圖1(a)表示，包括定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、位置系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)及其他系統(tǒng)。原型系統(tǒng)Active Badge和PARCTab并沒有將定位系統(tǒng)和通信系統(tǒng)分開，但隨后的研究都傾向于將兩者分離，分別負(fù)責(zé)定位和通信，保證兩種不同領(lǐng)域的技術(shù)可以互不影響地發(fā)展。定位系統(tǒng)用于獲取移動(dòng)或靜止對(duì)象所在的位置信息，而狹義的位置系統(tǒng)則側(cè)重于獲取特定位置上的對(duì)象集^[4]。例如當(dāng)某個(gè)人來到西安，需要尋找住宿的地方。定位感知系統(tǒng)要能夠作出準(zhǔn)確答復(fù)，這就同時(shí)要用到定位系統(tǒng)和位置系統(tǒng)。首先通過定位系統(tǒng)確定自己的位置，然后再通過位置系統(tǒng)查找在這個(gè)位置附近有哪些酒店，把查找結(jié)果告訴這個(gè)人。廣義的位置系統(tǒng)則涉及到位置數(shù)據(jù)的管理、位置服務(wù)及位置相關(guān)服務(wù)的描述和發(fā)現(xiàn)等任務(wù)。通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)通信功能；安全系統(tǒng)主要用于保證定位感知系統(tǒng)在工作過程中保護(hù)用戶隱私。有些應(yīng)用是在已有的應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展了定位感知功能，如蜂窩移動(dòng)電話。要能實(shí)現(xiàn)定位感知，同時(shí)傳統(tǒng)的通話、短信功能也需要繼續(xù)受到支持，其他系統(tǒng)就是為了與已有功能保持兼容。在底層系統(tǒng)的支持下，開發(fā)者可以開發(fā)面向各種領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)。

從組成結(jié)構(gòu)上來看，定位感知系統(tǒng)包括客戶Client、服務(wù)Service和基礎(chǔ)設(shè)施Infrastructure（圖1(b)）。客戶是指定位感知系統(tǒng)的用戶，通常帶有便攜終端，如PC型筆記本機(jī)、PDA型手持機(jī)、手持型電話機(jī)等^[5]，具有與支撐的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行無線通信的功能，配有某類定位系統(tǒng)，是用戶提交任務(wù)和獲取服務(wù)的交互裝置。服務(wù)是由服務(wù)提供者向客戶提供的位置及位置相關(guān)等服務(wù)，服務(wù)提供者通過有線或無線方式連接基礎(chǔ)設(shè)施。典型的有Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及其他專用服務(wù)器等，客戶本身也是服務(wù)提供者。基礎(chǔ)設(shè)施是定位感知系統(tǒng)的支持設(shè)施，包括各類定位系統(tǒng)、有線和無線通信接入點(diǎn)、有線和無線網(wǎng)絡(luò)等。

文獻(xiàn)[6]提出了一種具有高擴(kuò)展性、能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域漫游的定位感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。在該體系結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)被劃分為若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由一個(gè)稱為漫游控制器（類似于Internet的DNS）的服務(wù)器負(fù)責(zé)管理，為每個(gè)終端用戶維持一個(gè)Profile，用于描述用戶興趣、定制服務(wù)等數(shù)據(jù)。終端用戶通過具有處理、存儲(chǔ)、接受用戶控制、顯示、無線通信、定位功能的終端設(shè)備與系統(tǒng)交互；利用定位系統(tǒng)獲取用戶位置；利用IEEE 80211和Bluetooth通過基站與系統(tǒng)進(jìn)行通信。區(qū)域系統(tǒng)之間通過有線骨干網(wǎng)互連，用戶可以漫游于不同區(qū)域。文獻(xiàn)[7]研究了SLAP(Smart LocationAware Platform for Smart Classroom)體系結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M證明SLAP有更好的性能。文獻(xiàn)[8]提出了另一種開放的、可重用的體系結(jié)構(gòu)LASAP（LocationAware Service and Application Platform），該體系結(jié)構(gòu)通過中間件的方法兼容了各種不同的技術(shù)和應(yīng)用，同時(shí)也保留了一些傳統(tǒng)固有的功能。

1.3代表性系統(tǒng)及應(yīng)用領(lǐng)域

表1列出了國(guó)內(nèi)外最近的一些研究系統(tǒng)，主要有以下應(yīng)用領(lǐng)域^[2，8，9]：

（1）移動(dòng)辦公。尋找最近的服務(wù)提供者（如打印服務(wù)），提高辦公效率，進(jìn)行工作協(xié)同，應(yīng)用于移動(dòng)辦公領(lǐng)域。

（2）導(dǎo)游。引導(dǎo)游覽者游覽景點(diǎn)，引導(dǎo)參觀者參觀博物館等。

（3）導(dǎo)購、訂購。為客戶提供購物信息，引導(dǎo)購物，應(yīng)用于電子商務(wù)領(lǐng)域。

（4）導(dǎo)航。為汽車、輪船、飛機(jī)、人員等移動(dòng)對(duì)象提供路線等必要的導(dǎo)航信息。

（5）定位跟蹤。查詢朋友或同事的所在位置，以便聯(lián)系。

（6）會(huì)議。跟蹤與會(huì)者行為，以便提供即時(shí)幫助。

（7）醫(yī)療。跟蹤患者，以便及時(shí)救助。

（8）家政、智能空間（居室、車間）。管理家務(wù)，幫助照料老人或行動(dòng)不方便的人；進(jìn)行物流管理和車間管理。

（9）地理信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)。

（10）其他信息服務(wù)。

表1代表性定位感知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)的研究問題涉及的內(nèi)容包括定位技術(shù)、定位算法和定位參考點(diǎn)的分布等，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于現(xiàn)有的定位技術(shù)在精度、覆蓋范圍、成本、功耗等方面區(qū)別很大，而不同的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)定位精度可能有不同的要求，這就導(dǎo)致定位系統(tǒng)可能采用不同的定位技術(shù)。不同定位技術(shù)構(gòu)成的模塊支持不同的數(shù)據(jù)表示格式，如GPS采用NMEA0183（National Marine Electronics Associations）標(biāo)準(zhǔn)，而MPS(Ericsson Mobile Positioning System)采用Ericsson Mobile Positioning Protocol，故定位系統(tǒng)層次以上的構(gòu)建必須有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。融合模塊就是用于收集來自不同定位模塊的位置數(shù)據(jù)，并把收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合表示成一般格式，既可以向上層系統(tǒng)提供統(tǒng)一的API，又可以建立不同應(yīng)用系統(tǒng)之間在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行位置數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)格式。文獻(xiàn)[16]介紹了一種通用定位協(xié)議（Generic Positioning Protocol，GPP）。它是一種基于XML的結(jié)構(gòu)化、層次性數(shù)據(jù)表示格式，消息Capability Request/Capability Reply用于決定定位設(shè)備的屬性（如精度、坐標(biāo)系統(tǒng)及定位設(shè)備類型等），消息Data Request/Data Reply用于獲取實(shí)際的位置數(shù)據(jù)。

2.1定位系統(tǒng)的分類

按定位手段的不同，可以分為TOA定位法、TDOA定位法、EOTD定位法、AOA定位法、TOAAOA定位法、GPS定位法等^[4]。

按定位系統(tǒng)提供的位置信息可以分為物理定位（Physical Position）和符號(hào)定位(Symbolic Location)^[17]。前者提供所需定位對(duì)象的二維或三維坐標(biāo)，如GPS提供經(jīng)度、緯度和高度等位置信息，而后者則提供對(duì)象的抽象位置描述（如在哪座建筑物的哪個(gè)房間）。兩者在一定程度上可相互轉(zhuǎn)換，既可以通過坐標(biāo)抽象出對(duì)象的位置，也可以從其抽象的位置來大致計(jì)算出其坐標(biāo)。

按定位的相對(duì)性，物理定位又可以分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位^[18]。絕對(duì)定位提供對(duì)象的絕對(duì)坐標(biāo)，如每個(gè)對(duì)象利用GPS 接收機(jī)定位都是參考全局的UTM（Universal Transverse Mercator）坐標(biāo)系。而相對(duì)定位的對(duì)象則可以擁有各自的參考坐標(biāo)系，通過將相對(duì)定位的參考坐標(biāo)系與UTM坐標(biāo)系建立聯(lián)系，兩者也可以相互轉(zhuǎn)換。

按定位計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行地點(diǎn)可以分為本地計(jì)算和全局計(jì)算^[19]。前者由對(duì)象自身利用從外圍系統(tǒng)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，從而獲取自己的位置信息；后者則將這樣的任務(wù)交給外圍系統(tǒng)來完成，對(duì)象只是周期性地向外圍系統(tǒng)廣播自己的信號(hào)。外圍系統(tǒng)承擔(dān)這樣的任務(wù)在一定程度上減輕了需要定位對(duì)象的計(jì)算負(fù)擔(dān)，降低了其能耗和成本，利于簡(jiǎn)化對(duì)象硬件和軟件設(shè)計(jì)，但破壞了位置信息的私密性。當(dāng)然，這可以通過在定位系統(tǒng)之上的安全系統(tǒng)來加以保護(hù)。

按定位系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域可以分為室內(nèi)定位系統(tǒng)和戶外定位系統(tǒng)。

按定位精度可以分為米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)、納米級(jí)定位系統(tǒng)。

按定位時(shí)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)可以分為基于信號(hào)強(qiáng)度（Rover System，精度為2 m）^[6]的、基于測(cè)距的和基于測(cè)角^[20]的定位系統(tǒng)。

按定位方法可以分為三角測(cè)量、場(chǎng)景分析和接近度定位^[18]。

2.2定位技術(shù)

按定位技術(shù)分類可以分為無線電定位技術(shù)、聲波定位技術(shù)、紅外定位技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)等。

無線電定位技術(shù)利用無線電作為信號(hào)來實(shí)現(xiàn)定位。Bluetooth定位系統(tǒng)覆蓋范圍比WiFi小，且要求配備較多的基站，但精度高；RFID技術(shù)也用于定位，通過在固定位置如門口放置RFID讀卡器來檢測(cè)通過者，成本較低，但覆蓋范圍太小；移動(dòng)電話、數(shù)字電視信號(hào)、無線通信和Ultrawideband等技術(shù)也在一些研究系統(tǒng)采用。無線電定位技術(shù)具有便利、迅速、硬件體積小、信號(hào)滲透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是不夠精確，且除移動(dòng)電話技術(shù)外，其他均不適用于遠(yuǎn)距離定位。

聲波定位系統(tǒng)采用聲音或超聲波作為信號(hào)，利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA進(jìn)行精確的距離計(jì)算，并利用多個(gè)參考點(diǎn)的距離信息計(jì)算出定位對(duì)象的位置，精度較高。由于常用的聲音信號(hào)對(duì)周圍有較大干擾，故極少采用。研究系統(tǒng)采用比較多的是超聲波信號(hào)。在超聲波定位系統(tǒng)中，超聲波接收器和發(fā)射器適用預(yù)定的頻率（40～130kHz），不要求它們互相可見，但一般要求每10m2左右布置一個(gè)固定的超聲波基站接收器。超聲波基站接收器的分布敏感、擴(kuò)展性低、布置較麻煩、成本較高，不適用于遠(yuǎn)距離定位和快速定位。

紅外線定位技術(shù)在研究系統(tǒng)中也廣泛使用。利用紅外發(fā)射器預(yù)定間隔時(shí)間發(fā)射紅外信號(hào)，根據(jù)紅外接收器接收到信號(hào)的時(shí)間來測(cè)量對(duì)象位置，成本較低，容易使用；但易受到可見光的干擾，信號(hào)穿透力極差，精度也不夠高。紅外定位技術(shù)和超聲波定位技術(shù)一般用于室內(nèi)。

20世紀(jì)80年代末美國(guó)國(guó)防部建立了GPS(Global Position System)。它是由分布在地球上空1.7萬公里的24顆衛(wèi)星以及地面上一個(gè)主控站和五個(gè)監(jiān)控站構(gòu)成的全球無線導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球范圍內(nèi)帶有GPS接收機(jī)的飛機(jī)、艦船、地面部隊(duì)、車輛、低軌道航天器提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度以及時(shí)間數(shù)據(jù)，最高精度在10m左右，目前免費(fèi)對(duì)世界開放。GLONASS（Global Navigation Satellite System）是前蘇聯(lián)從20世紀(jì)80年代初開始建設(shè)的與美國(guó)GPS相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，單點(diǎn)定位精度水平方向?yàn)?6m，垂直方向?yàn)?5m。Galilieo衛(wèi)星系統(tǒng)是全球第一個(gè)專門為民用目的設(shè)計(jì)的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，最高定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。2005年底已發(fā)射了一顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，計(jì)劃到2008年完成投入運(yùn)營(yíng)，中國(guó)也參與了該系統(tǒng)。此外，中國(guó)于2000年自行開發(fā)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由于尚未完全建成，目前只能實(shí)現(xiàn)中國(guó)和附近地區(qū)海上及空中定位，不能滿足絕大多數(shù)的陸上用途。衛(wèi)星定位系統(tǒng)屬一次性投資，對(duì)用戶來說其成本僅限于購買接收機(jī)。隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，目前接收機(jī)已經(jīng)能做得足夠小、能耗足夠低、定位速度快、使用便利、可覆蓋范圍廣，解決了大多數(shù)戶外定位問題。許多研究系統(tǒng)利用GPS實(shí)現(xiàn)了定位。目前使用的GPS的精度還有待提高，而且衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號(hào)不能到達(dá)室內(nèi)。盡管有研究者提出通過在窗口等可與室外連通的地方放置中轉(zhuǎn)裝置來解決這一問題，但是沒有從根本上消除衛(wèi)星定位系統(tǒng)的這一缺陷。

此外還有其他一些定位技術(shù)，如視覺定位、壓力定位和磁定位等技術(shù)。視覺定位是利用立體數(shù)碼相機(jī)拍照后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形處理定位對(duì)象，不需要待定位對(duì)象攜帶任何裝置；壓力定位(Georgia Tech’s Aware Home采用)要求地面分布?jí)毫鞲衅鳎鶕?jù)行人的腳步來定位，精度較高，但實(shí)現(xiàn)成本太高；磁定位技術(shù)利用MEMS和周圍磁場(chǎng)的相互作用來影響傳感器中的電流實(shí)現(xiàn)定位^[21]；納米定位技術(shù)利用精密電容微位移傳感器實(shí)現(xiàn)定位^[22]，適合于某些精度要求較高的領(lǐng)域。

從近幾年的研究情況看，定位技術(shù)已趨向成熟，但這并不意味著它是一個(gè)已經(jīng)解決了的問題，各種定位系統(tǒng)在精度、成本、可擴(kuò)展性、靈活性等方面依然需要進(jìn)行進(jìn)一步研究以獲得優(yōu)化。鑒于各種技術(shù)在精度、響應(yīng)速度、覆蓋范圍和成本等方面都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，未來可能出現(xiàn)的是各種技術(shù)共存的局面。例如，定位某輛汽車在哪一個(gè)城市的哪一條街道上使用GPS就足夠了，但定位商場(chǎng)中某個(gè)服務(wù)柜臺(tái)則要求更精確的定位系統(tǒng)。在研究方面出現(xiàn)一種獨(dú)立于定位技術(shù)的趨勢(shì)，在更高的抽象層次上研究定位感知計(jì)算。各種定位技術(shù)對(duì)照表如表2所示（綜合文獻(xiàn)[7，9，17]獲得）。

表2各種定位技術(shù)對(duì)照表

3通信系統(tǒng)

定位感知系統(tǒng)是工作在無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)中的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為應(yīng)用從單機(jī)時(shí)代到共享主機(jī)、Internet時(shí)代提供了技術(shù)支撐，而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)計(jì)算、普適計(jì)算的理想提供了可能。典型的無線通信標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，而又以IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)為主流。

表3無線通信標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.11體系定義的是無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（WLAN），針對(duì)家庭和企業(yè)中的局域網(wǎng)而設(shè)計(jì)，應(yīng)用范圍一般局限在一個(gè)建筑物或一個(gè)小建筑物群（如學(xué)校、小區(qū)等）。

IEEE802.15定義的是無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)（WPAN），主要用于個(gè)人電子設(shè)備與PC的自動(dòng)互聯(lián)，這類設(shè)備包括手機(jī)、MP3播放器、便攜媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦等等。

IEEE802.16是一種廣帶無線接入技術(shù)（Broadband Wireless Access，BWA），主要用于遠(yuǎn)距離、高速度的通訊環(huán)境，定義的是無線城域網(wǎng)絡(luò)（WMAN），性能可媲美Cable電纜、DSL、T1專線等傳統(tǒng)的有線技術(shù)。

IEEE802.20與802.16在特性上有些類似，都具有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快的特點(diǎn)。不過802.20是一項(xiàng)移動(dòng)寬帶接入技術(shù)（Mobile Broadband Wireless Access，MBWR），定義的是無線廣域網(wǎng)（WWAN），更側(cè)重于設(shè)備的可移動(dòng)性，例如在高速(150km/h)行駛的火車、汽車上都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

HomeRF是由HomeRF工作組開發(fā)的，是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的任何地方，在PC機(jī)和用戶電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。作為無線技術(shù)方案，它代替了需要鋪設(shè)昂貴傳輸線的有線家庭網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，如筆記本電腦和Internet應(yīng)用提供了漫游功能。HomeRF工作頻段是2.4GHz，支持?jǐn)?shù)據(jù)和音頻。該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)是對(duì)等網(wǎng)，也就是說，網(wǎng)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是相對(duì)獨(dú)立的，不受中央節(jié)點(diǎn)的控制。因此，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)都不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。它的另外一個(gè)特點(diǎn)是低功耗，很適合筆記本電腦。

無線通信的特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、間歇性、不確定性、不可預(yù)測(cè)性。無線通信面臨通信速度、帶寬、距離以及有線通信基礎(chǔ)設(shè)施的分布密度等挑戰(zhàn)。設(shè)備的通信速度一方面受到VLSI設(shè)計(jì)方面的限制；另一方面也受到無線通信頻率范圍的限制。通信距離與傳輸功耗是相關(guān)的，長(zhǎng)距離通信消耗的能量要比短距離通信多，而一般無線通信設(shè)備能量都有限。因此，廣泛采用的一種方案就是使用有線基礎(chǔ)設(shè)施（如基站），無線通信設(shè)備與附近的基站直接進(jìn)行短距離通信，由基站和基站之間通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長(zhǎng)距離通信。

4位置系統(tǒng)

位置系統(tǒng)最重要的功能是提供服務(wù)、發(fā)現(xiàn)服務(wù)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)是普適計(jì)算環(huán)境中一個(gè)基本的、重要的任務(wù)。

4.1位置服務(wù)和位置相關(guān)服務(wù)

簡(jiǎn)單的位置服務(wù)(Location Services)是單純獲取移動(dòng)對(duì)象的坐標(biāo)，并沒有太多的應(yīng)用價(jià)值。定位感知系統(tǒng)的服務(wù)更多地體現(xiàn)在基于位置的位置相關(guān)服務(wù)(Locationbased Services)，即對(duì)目標(biāo)的位置作出更有意義的解釋。例如目標(biāo)在哪個(gè)國(guó)家、哪個(gè)城市、哪條街道、哪座建筑物、哪層樓房、哪個(gè)房間等。位置相關(guān)服務(wù)內(nèi)容廣泛，如某個(gè)對(duì)象在哪、周圍有誰、在向哪個(gè)方向移動(dòng)、某個(gè)地點(diǎn)某個(gè)時(shí)間是什么天氣狀況、某個(gè)地點(diǎn)當(dāng)?shù)貢r(shí)間是多少以及在合適的時(shí)間、合適的地點(diǎn)提供合適的信息等。地圖服務(wù)也是一類特殊的位置相關(guān)服務(wù)。

鑒于要實(shí)現(xiàn)定位感知系統(tǒng)的開放性，多數(shù)研究采用XML進(jìn)行服務(wù)描述^[11]。研究人員對(duì)服務(wù)發(fā)現(xiàn)展開了比較多的研究，并提出許多服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，如BSDP(Bluetooth Service Discovery Protocol)、DEAPspace、INS(Intentional Naming System)、INS/Twine、Jini、Salutation、SSDS(Secure Service Discovery Service)、SLP(Service Location Protocol)version 2和UPnP(Universal Plug and Play)等^[19]。DEAPspace用于單跳Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中；BSDP用于臨近藍(lán)牙設(shè)備之間互相發(fā)現(xiàn)服務(wù)；UPnP針對(duì)家居環(huán)境；Jini 和 SLP則面向企業(yè)系統(tǒng)；Salutation面向設(shè)備；INS強(qiáng)調(diào)名字與服務(wù)之間的映射；INS/Twine和SSDS支持大量的服務(wù)。

按發(fā)現(xiàn)服務(wù)的模式，可以分為ClientService、ClientService

Directory和ClientServiceDirectoryProxy三種模式^[19]。在Client

Service模式中，客戶廣播查詢，滿足條件的服務(wù)或設(shè)備予以應(yīng)答，適用于簡(jiǎn)單的分布環(huán)境如家居系統(tǒng)中。ClientServiceDirectory模式則適用于規(guī)模稍大的定位感知環(huán)境中。在這種模式中，服務(wù)提供者在目錄注冊(cè)自己能夠提供的服務(wù)并由目錄緩存部分服務(wù)信息；客戶則通過查詢目錄獲知誰能提供自己需要的服務(wù)，若能從目錄緩存的信息中找到自己需要的信息，則直接獲取相應(yīng)信息，否則就向服務(wù)提供方請(qǐng)求服務(wù)。ClientServiceDirectoryProxy模式則通過增加服務(wù)提供方的代理來減輕服務(wù)提供方的負(fù)擔(dān)。由代理完成服務(wù)注冊(cè)、認(rèn)證、授權(quán)等任務(wù)，并能緩存較多的服務(wù)信息，特別適合于服務(wù)提供方頻繁改變自己位置的情況，是目前移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域比較推崇的一種模式。

文獻(xiàn)[11]提出了一種可在導(dǎo)游系統(tǒng)中使用的語義匹配算法，采取期望圖(Evaluated Graph)描述用戶的興趣與景點(diǎn)之間的關(guān)系。該算法用于發(fā)現(xiàn)與用戶興趣相匹配的服務(wù)，仿真結(jié)果表明其失配率較低。

4.2數(shù)據(jù)管理和查詢

按管理模式可以分為被動(dòng)模式和主動(dòng)模式^[19]。前者遵循傳統(tǒng)的請(qǐng)求/應(yīng)答模式，客戶要得到所需信息需要先向服務(wù)系統(tǒng)提出請(qǐng)求；服務(wù)系統(tǒng)響應(yīng)后給出回復(fù)，按要求的格式提供信息。后者則要服務(wù)系統(tǒng)能根據(jù)自己取得的信息主動(dòng)向用戶廣播，說明自己能夠提供的服務(wù)；而客戶根據(jù)自己的需要獲取自己所要的信息。

在被動(dòng)模式中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有兩種基本方案更新移動(dòng)對(duì)象的位置數(shù)據(jù)：①每n個(gè)時(shí)間單位（μs、ms或s）更新移動(dòng)對(duì)象的位置數(shù)據(jù)；②目標(biāo)每移動(dòng)n個(gè)距離單位（mm、cm或m）更新自己的位置數(shù)據(jù)。顯然，n越小，系統(tǒng)獲取的目標(biāo)位置越及時(shí)準(zhǔn)確，但會(huì)帶來大量數(shù)據(jù)傳輸。如何在準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸量之間作出權(quán)衡依賴于特定的應(yīng)用。

在定位感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理中，地圖數(shù)據(jù)管理是一個(gè)重要任務(wù)，傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)（汽車導(dǎo)航系統(tǒng)）都是利用客戶的位置數(shù)據(jù)和平面地圖來實(shí)現(xiàn)定位感知應(yīng)用的（圖3）。它要求客戶端有一定存儲(chǔ)容量來存儲(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，并有相應(yīng)的地圖數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供地圖數(shù)據(jù)的預(yù)先下載。

平面地圖描述的場(chǎng)景是無結(jié)構(gòu)的，不能反映真實(shí)世界。文獻(xiàn)[21]提出了一種結(jié)構(gòu)化的位置相關(guān)對(duì)象描述方法，用蜂窩區(qū)域作為基本區(qū)域來描述、構(gòu)建地理信息，定義了位置對(duì)象類、蜂窩區(qū)域類、地理區(qū)域類三類對(duì)象和它們之間的關(guān)系（圖4），稱為L(zhǎng)dODB(Locationdependent Object Database)模式；同時(shí)也定義了在這種數(shù)據(jù)模式下擴(kuò)展SQL文法的Where子句的數(shù)據(jù)查詢語言LdOQL(Locationdependent Object Query Language)，它較適合于在定位感知系統(tǒng)中使用。

5安全系統(tǒng)

雖然安全性要求不是定位感知系統(tǒng)特有的要求，但安全是定位感知計(jì)算中必須考慮的一個(gè)因素，它是維系定位感知系統(tǒng)能否運(yùn)行的基本要素。在定位感知系統(tǒng)的安全系統(tǒng)中涉及無線通信的安全性和位置信息的保密性。因?yàn)闊o線信號(hào)不像有線信號(hào)那樣依賴于物理線路（電纜、光纜等），容易被截獲，確保在適當(dāng)場(chǎng)合、適當(dāng)時(shí)間提供給適當(dāng)對(duì)象是特別需要考慮的問題。

安全性任務(wù)滲透到定位感知系統(tǒng)的各個(gè)層面，如IEEE 80211i在底層引入AES算法，克服了WEP的缺陷。如何合理分配安全性任務(wù)是一個(gè)值得研究的問題，一方面使系統(tǒng)能正常地運(yùn)行，并具有一定魯棒性，保護(hù)用戶隱私；另一方面又不讓過多的計(jì)算和通信任務(wù)占據(jù)其有限且寶貴的通信和計(jì)算資源。

目前多數(shù)定位感知系統(tǒng)沒有充分考慮系統(tǒng)的安全性和保密性。SSDS^[19]提供了企業(yè)環(huán)境中的一種安全機(jī)制，但需要服務(wù)器介入客戶和服務(wù)之間的安全管理。Splendor是一種安全保密的定位感知服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議。它利用公鑰密碼體制提供了ClientServiceDirectoryProxy組件之間的認(rèn)證和授權(quán)；利用對(duì)稱密碼體制實(shí)現(xiàn)授權(quán)后的數(shù)據(jù)傳輸，避免了頻繁認(rèn)證的巨大開銷，保護(hù)了各方隱私，不需要服務(wù)器集中進(jìn)行安全管理，系統(tǒng)運(yùn)行效率比較高。

6總結(jié)和展望

雖然在定位感知計(jì)算研究方面已經(jīng)取得了突出的進(jìn)步，但是，定位感知計(jì)算離普遍的商業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。有兩個(gè)主要原因，即缺乏合適的商業(yè)模式和支付方式，以及保密性問題尚未得到徹底解決。定位感知系統(tǒng)在如下方面依然面臨許多挑戰(zhàn)：

①定位元件的體積、功耗、重量和價(jià)格；

②定向問題；

③無線通信的可用性、可靠性；

④系統(tǒng)安全性（保密性）；

⑤移動(dòng)對(duì)象位置預(yù)測(cè)；

⑥定位元件獲取的數(shù)據(jù)與其他傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的問題；

⑦測(cè)試；

⑧位置數(shù)據(jù)管理和查詢，服務(wù)的描述和發(fā)現(xiàn)；

⑨交互方式。

對(duì)于定位感知系統(tǒng)的研究來說，獨(dú)立于特定定位技術(shù)和通信技術(shù)研究位置系統(tǒng)是一個(gè)有吸引力的方向：一種途徑是結(jié)合具體應(yīng)用構(gòu)建相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)，研究其中涉及的位置相關(guān)數(shù)據(jù)的管理、查詢；另一種途徑是從各種應(yīng)用中抽象出統(tǒng)一的位置系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提取公共屬性，屏蔽底層技術(shù)， 向應(yīng)用系統(tǒng)提供遵循公開標(biāo)準(zhǔn)的、允許精度定制的和能夠融合多源位置信息的API^[1]。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。