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位置计算:无线网络定位与可定位性

教育部自然科学奖一等奖,国家自然科学奖二等奖,中国大学出版社图书奖优秀学术著作奖,ACM MobiCom 2014大会唯一最佳论文奖。中国工程院孙家广院士作序。

作者:杨铮、吴陈沭、刘云浩
定价:39
印次:1-3
ISBN:9787302351139
出版日期:2014.01.01
印刷日期:2017.05.05

无线通信技术的高速发展使得以手机、平板电脑、笔记本电脑甚至小型无线传感器节点为代表的移动计算终端迅速普及,目前已超越传统的台式计算机成为互联网最主要的终端设备。移动终端随着使用者的移动或网络部署的变化而随时变换位置,其位置信息对于近些年来在移动计算领域大放异彩的位置服务具有重要意义。本书源自作者10年来在无线定位领域科研工作的总结,包含无线定位的基础知识、技术特点、解决方案以及前沿研究成果。本书按照物理测量、位置计算、数据处理这条主线来安排内容,着重讨论物理测量、单跳位置估计、基于测距的多跳定位、基于非测距的多跳定位、移动连续定位、误差控制、可定位性、室内定位和位置隐私等技术。本书面向所有对定位技术感兴趣的读者。特别地,本书可作为本领域科研人员的参考,研究生专业课程的教材,以及大学本科高年级学生的扩展阅读材料。

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序 随着信息技术向更广泛的互联互通和更全面的智能化方向发展,物理世界与数字世界无缝融合的需求越来越高,使得无线网络的规模不断增大,对网络自组织能力和移动特性的要求不断提高,如何在相应的计算环境中准确获取无线终端的位置信息成为至关重要而又非常困难的问题。 无线定位即利用无线信号确定物体的位置。无线定位涉及的应用非常广,大到定位飞机、轮船、导弹,小到定位手机、手表、传感器,从军事到民用,从工业到农业,从生产到生活。从计算机科学的角度来看,位置是最重要的上下文之一,是判断物体或者人所处的环境与情境的直接证据,是普适计算、移动计算、物联网以及其他基于位置服务的基础信息。 本书以无线定位中的物理测量、位置计算和误差分析这3个阶段为主线,全面讨论了无线定位的理论、分析、系统、实验和性能,涵盖了来自学术界和工业界的最新成果,有助于读者了解这个领域的基本知识和前沿进展。 本书的作者杨铮和刘云浩分别自2006年和2003年开始从事无线定位方面的研究工作,目前均在清华大学任教,另一位作者吴陈沭目前为清华大学博士研究生。近10年来,他们在无线网络和移动计算领域发表50余篇高质量的论文,其中多篇发表于相关领域的顶级期刊和会议,例如IEEE/ACM Transactions on Networking,IEEE Transactions on Mobile Computing,IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,ACM Transactions on Sensor Networks,ACM MobiCom,IEEE INFOCOM,IEEE ICDCS等。他们关于无线定位的研究成果获得2010年教育部自然科学奖一等奖、2011年国家自然科学奖二等奖。 我鼓励他们将多年的工作成果和经验加以总结,出版这部学术著作,并愿意推荐给本领域的研究人员和研究生。希望以此促进学术交流,取得共同进步。 孙家广 中国工程院院士 2014年1月 前言 无线通信技术的高速发展使得以手机、平板电脑、笔记本电脑甚至小型无线传感器节点为代表的移动计算终端迅速普及,目前已超越传统的台式计算机成为互联网最主要的终端设备形态第30次中国互联网络发展状况统计报告. 中国互联网络信息中心(CNNIC),2012.。移动终端随着使用者的移动或网络系统的部署而随时变换位置,其位置信息对于无线通信技术本身以及近些年来在移动计算领域大放异彩的位置服务(Locationbased Services)具有重要意义。因此,无线定位技术成为人们关心的兴趣点、工业界的应用重点以及学术界的研究热点。 本书作者撰写的Location,Localization,and Localizability一书由施普林格出版社(Springer)于2010年在纽约出版。一转眼几年过去了,随着无线通信技术与嵌入式技术的飞速发展,特别是以iPhone为代表的智能手机的流行,无线定位技术取得了长足的发展,许多新技术和新方法将无线定位提升到更广阔的应用舞台,于是我们有了将这个领域的最新研究与应用成果进行总结和整理,出版一本中文著作的想法。 本书的写作过程也是我们学习和重新学习的过程。许多精巧的设计、高效的算法、出众的性能和实用的系统让我们感叹这一领域的丰富成果以及更广阔的未探索区域。本书的部分内容来自同行公开发表的研究成果,部分来自我们科研团队的工作。定位技术所涉及的内容跨越多个学科,而我们的研究工作只限于其中几个方面,因此本书的写作参考了许多相关方面的著作、论文和技术报告,在此向这些文献的作者表示衷心的感谢。在本书中,我们尝试根据自己的理解去组织、描述和评价现有的工作,争取通过本书勾绘出无线定位技术的发展前沿。 本书按照物理测量、位置计算和数据处理这条主线来安排内容。具体来讲,本书第2章讨论物理测量的方法,包括测量无线信号的传播距离、到达角度、覆盖区域和网络邻近关系等。物理测量是定位的基础,定位的精度受限于物理测量的精度。第3章分析在物理测量基础上的单跳位置计算方法,无论是无线自组网定位还是无线室内定位都以单跳位置计算为核心。第4章和第5章分别介绍网络定位中基于测距的和基于非测距的多跳定位方法。第6章描述利用移动信息的特殊定位方法,网络终端的移动性既为定位带来了难度,也带来了更强的位置时空关联性。第7章讨论当物理测量出现误差或者异常的时候,如何在数据层面保证定位的精度。解决方案包括降低异常数据的权重或者直接剔除异常数据,在没有真实数据的情况下,实现这个解决方案并不容易。在第8章中,我们关注的重点转变为判断物理测量所获得的观测信息是否充分,以保证可以计算出目标的位置。对于单跳定位的系统,其可定位性判断相对直观;当应用场景从单跳定位升级为网络定位后,可定位性的判定变得更加复杂。第9章讨论相对成熟但发展依然迅速的无线室内定位技术,相对于以GPS及类似系统占主导地位的室外定位技术,室内定位技术从思想到方法再到系统都是百花齐放的。在第10章中描述定位技术带来的“隐患”,提高定位服务质量与保护用户位置隐私似乎总是一对矛盾。以GPS为代表的卫星定位技术以及机器人定位导航技术在本书中没有涉及。 本书面向所有对定位技术感兴趣的读者。特别地,本书可以作为本领域科研人员的参考,研究生专业课程的教材,以及大学本科高年级学生的扩展阅读材料。本书前3章讲述了无线定位基础知识,对传感网定位感兴趣的读者可以重点阅读第4~8章,对室内定位感兴趣的读者可以重点阅读第9章和第10章。本书整体上是通俗易懂的,我们尽量保持这样一种风格,但从本书所涉及的内容的严谨性角度考虑,部分章节需要读者掌握基本的优化方法、数值计算方法,以及图论的相关知识。 对于本书的完成,我们首先要感谢清华大学孙家广院士、王建民教授、顾明教授,香港科技大学倪明选教授、陈雷教授,美国伊利诺伊理工学院李向阳教授,以及很多国内外的同事和同行,他们是李默、韩劲松、何源、刘克彬、王继良、毛续飞、赵弋洋、杨磊、惠维、王小平、陈涛、简丽荣等。在本书的写作过程中,我们还得到清华大学和香港科技大学的多位研究生的帮助,他们包括刘峻良、周子慕、上官龙飞、孙伟、张幸林、徐涵、魏红亮、熊曦、林琼政、段春晖等。本书的完成得到了国家自然科学基金项目(编号61171067、61190110、61125202)、国家高技术发展研究计划(863)项目(编号2011AA010100)和国家重点基础研究发展计划(973)项目(编号2012CB316200)的资助。清华大学出版社的张民老师对本书的出版给予了大力支持。在此一并表示感谢。 人生是一个不断学习的过程,这本书可以作为我们科研工作的阶段总结。希望大家不吝赐教,我们的电子邮件地址是hmilyyz@gmail.com。 作者2014年于清华园

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  • 第1章无线定位概述1

    第2章物理测量62.1距离测量6

    2.1.1基于信号强度的测距模型7

    2.1.2基于信号到达时间的测距模型(ToA)9

    2.1.3基于信号到达时间差的测距模型15

    2.2角度测量17

    2.3区域测量18

    2.3.1单参考点的目标区域估计18

    2.3.2多参考点的目标区域估计19

    2.4跳数测量20

    2.5邻居测量21

    2.6小结21

    第3章单跳位置估计23

    3.1基于距离的定位方法23

    3.2基于到达时间差的定位方法25

    3.3基于到达角度的定位方法27

    3.4基于信号指纹的定位方法28

    3.4.1离线测量方案28

    3.4.2在线测量方案29

    3.5小结31

    第4章基于测距的多跳定位32

    4.1计算组织方式32

    4.2集中式定位算法33

    4.2.1多维标度(MDS)33

    4.2.2半定规划(SDP)35

    4.3分布式定位方法37

    4.3.1基于锚节点的网络定位37

    4.3.2坐标系拼接40

    4.4小结45

    第5章基于非测距的多跳定位47

    5.1基于跳数的定位47

    5.2各向异性网络中基于跳数算法的改进48

    5.2.1各向异性网络中的基于PDM的定位48

    5.2.2带洞网络中的染色路径50

    5.2.3基于Delaunay复体的定位53

    5.3基于相邻性的定位算法57

    5.3.1PIT测试57

    5.3.2垂直线相交58

    5.3.3相对距离估计60

    5.4小结62

    第6章移动连续定位64

    6.1概述64

    6.2蒙特卡罗定位65

    6.2.1粒子滤波器65

    6.2.2序贯蒙特卡罗...

  • 作者简介:        

        杨铮,清华大学计算机系工学学士,香港科技大学计算机系工学博士,现任清华大学软件学院副教授,可信网络与系统研究所助理所长,清华大学教育部信息系统安全重点实验室成员。研究方向为无线网络与移动计算,包括传感网、Mesh网络、RFID、室内定位、群智感知、移动数据挖掘等。发表论文60余篇,出版中、英文学术专著各1部。获得国家自然科学奖二等奖。入选北京市科技新星、国家青年拔尖人才计划(万人计划),获得国家优秀青年科学基金资助。担任INFOCOM (2013, 2014, 2015, 2016)ICDCS (2012, 2013, 2016)MobiHoc 2014等国际学术会议程序委员以及IEEE Transactions on Vehicular Technology (IEEE TVT)的编委。

        吴陈沭,清华大学软件学院工学学士,清华大学计算机系工学博士。在ACM Mobi ComIEEE INFOCOM等国际会议发表多篇论文。曾获研究生国家奖学金、清华大学研究生特等奖学金、斯伦贝谢奖学金、清华大学计算机系“学术新秀”称号等。2013年获清华大学“林枫辅导员奖”。
      刘云浩,ACM FellowIEEE Fellow,清华大学长江学者特聘教授、博士生导师,清华大学软件学院院长,清华大学信息学院副院长。2008年因传感网创新应用被香港政府授予最佳创新与研究特等奖。2010年获得教育部自然科学一等奖。2011年获得国家自然科学奖二等奖及国家杰出青年科学基金。20136月获得ACM主席奖(ACM Presidential Award),2014年获得ACM MobiCom大会唯一最佳论文奖。担任国际期刊《IEEE Transactions oriParallel and Distributed Systems》副主编(Associate Editors-in-Chief)和《IEEE/ACM Transactions on Networking》编委。


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