| 摘要 普適計(jì)算的目的是為了使計(jì)算機(jī)更好地為人類服務(wù),提高人們的生活質(zhì)量。普適計(jì)算中的定位感知系統(tǒng)是普適計(jì)算研究中的核心部分之一。如何確定室內(nèi)用戶的動(dòng)態(tài)位置信息,如何主動(dòng)向用戶提供各種所需的信息,都是本文的研究話題。文章最后給出一種自行設(shè)計(jì)的普適計(jì)算室內(nèi)定位感知系統(tǒng)的最小功能模型。 關(guān)鍵詞 普適計(jì)算 定位系統(tǒng) 位置系統(tǒng) 定位感知系統(tǒng) 引言 隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不斷呈指數(shù)型的增長(zhǎng)以及硬件的微型化,各種計(jì)算型的小器件應(yīng)運(yùn)而生。由于其重量和體積都足夠小,用戶能夠隨身攜帶,因而被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。 Mark Weiser 在《21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)》一文中這樣描述：計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展以及無線通信技術(shù)的不斷成熟,造就了新一代普適計(jì)算（Ubiquitous Computing）的典范。普適計(jì)算設(shè)想這樣一種計(jì)算環(huán)境：人們生活在一個(gè)充滿各種各樣的計(jì)算型小器件當(dāng)中,這些器件通過足夠帶寬和速度的有線或無線網(wǎng)絡(luò)完全互連。網(wǎng)絡(luò)家電便屬于這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)功能單元,它們能夠積極有效地為用戶提供各種所需的信息。 普適計(jì)算的特點(diǎn)是服務(wù)設(shè)備無處不在,并已完全融入人們的日常生活中,即這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)用戶是完全透明的,計(jì)算機(jī)技術(shù)已在人們生活中得到了充分的應(yīng)用。普適計(jì)算的目的是充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能,利用它們更好地為人們服務(wù),極大地提高人們的生活質(zhì)量。 1 定位感知系統(tǒng) 定位感知系統(tǒng)是普適計(jì)算環(huán)境中的重要組成部分之一。在不考慮用戶個(gè)人隱私問題的前提下,如何動(dòng)態(tài)獲取用戶的位置信息,而且得到的位置信息必須能夠達(dá)到一定的精確度,一般誤差控制在幾cm以內(nèi);如何為用戶積極主動(dòng)地提供各種所需服務(wù),這些都是定位感知系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)的功能�，F(xiàn)在世界上已有的成熟系統(tǒng)大都只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的定位功能,這些系統(tǒng)一般都遵循傳統(tǒng)的請(qǐng)求-應(yīng)答模式。 在請(qǐng)求-應(yīng)答模式中,用戶要得到所需信息必須先向服務(wù)系統(tǒng)提出請(qǐng)求,系統(tǒng)響應(yīng)后給出回復(fù),按照要求的格式提供信息。我們稱這種模式為被動(dòng)模式。采用被動(dòng)模式的系統(tǒng)無法滿足用戶動(dòng)態(tài)信息的需求,無法積極智能地主動(dòng)提供服務(wù),而且同一時(shí)間服務(wù)的對(duì)象一般只能有一個(gè)。 定位感知系統(tǒng)必須采用主動(dòng)模式系統(tǒng),它能夠同時(shí)為多個(gè)用戶提供服務(wù)。系統(tǒng)能夠根據(jù)自己取得的信息主動(dòng)向用戶進(jìn)行廣播,說明自己能夠提供的服務(wù);用戶按照自己的所需,獲取自己的信息。主動(dòng)模式系統(tǒng)其最小規(guī)模必須擁有兩個(gè)功能系統(tǒng)：定位系統(tǒng)（Locating System）和位置系統(tǒng)（Location System）,我們稱之為L(zhǎng)2系統(tǒng)。 1.1 L2系統(tǒng) 首先必須正確區(qū)分定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)。它們之間的核心區(qū)別在于,定位系統(tǒng)的重點(diǎn)在于獲取對(duì)象所在的位置信息,而位置系統(tǒng)則側(cè)重于獲取特定位置上的對(duì)象集。為了更好地說明問題,我們應(yīng)用數(shù)學(xué)上映射的概念加以描述。 假設(shè)有位置集L={l1,l2,l3},有對(duì)象集O={o1,o2,o3,o4,o5,o6},對(duì)象o1、o2、o3在位置l1,對(duì)象o4、o5在位置l2,對(duì)象o6在位置l3。我們用映射λ：O→L來表示定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能,用映射：L→P（O）表示位置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能,則有圖1所示的映射圖。 
圖1 映射圖
由映射圖可知有如下等式成立：
λ（o1）=λ（o2）λ（o3）= l1
λ（o4）=λ（o5）= l2
λ（o6）= l3
ω （l1） = P1 ={ o1,o2,o3}
ω（l2） = P2 ={ o4,o5}
ω（l3） = P3 ={ o6} 目前應(yīng)用比較成熟的相關(guān)系統(tǒng)主要有：3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）工作組實(shí)施的GMLC（Gateway Mobile Location Center）系統(tǒng),由AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Bat系統(tǒng),由康斯坦斯大學(xué)開發(fā)的Mobile Shadow系統(tǒng)。 GMLC系統(tǒng)屬于被動(dòng)模式的定位系統(tǒng),通過GSM系統(tǒng),利用三角算法來定位對(duì)象。每一用戶都配備一個(gè)蜂窩電話,并向GSM網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)申請(qǐng)一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)（NDS）號(hào)碼,系統(tǒng)通過這一號(hào)碼進(jìn)行定位服務(wù)。此技術(shù)用映射關(guān)系表示為λ（NDS）=l。 AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Bat系統(tǒng)是一種主動(dòng)模式的定位系統(tǒng)。其核心思想是利用一種無線設(shè)備Bat發(fā)射超聲波脈沖來實(shí)時(shí)測(cè)量室內(nèi)對(duì)象的三維位置。其功能用映射關(guān)系表示為λ（Bat）=l。這一系統(tǒng)的定位技術(shù)可用來為普適計(jì)算中的室內(nèi)定位感知系統(tǒng)服務(wù),但其缺陷是使用了有線網(wǎng)絡(luò)而并非適用于普適計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)。 康斯坦斯大學(xué)開發(fā)的Mobile Shadow系統(tǒng)是一種主動(dòng)模式的位置系統(tǒng)。它的基本思想是為每一個(gè)用戶設(shè)置一個(gè)唯一的用戶代理,用戶代理利用WLAN單元來實(shí)現(xiàn)獲取本地對(duì)象集P的功能,用映射關(guān)系表示為（WLAN 單元）= P。但是,實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的協(xié)議所使用的是專門為移動(dòng)用戶設(shè)計(jì)的移動(dòng)代碼技術(shù)。 普適計(jì)算中的定位感知系統(tǒng)必須是定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)兩者的緊密結(jié)合。正如下面將要提出的簡(jiǎn)單模型一樣,室內(nèi)的用戶每移動(dòng)到一個(gè)新的位置,系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行精確定位,然后確定這一特定位置的對(duì)象集信息。利用這些信息,定位感知系統(tǒng)能夠積極主動(dòng)地向用戶廣播所能提供的各種信息,從而使用戶能夠有效地選擇自己所需要的信息。 1.2 幾種可行的定位技術(shù) ① 低頻射頻。低頻傳感器一般工作在一些特定的頻率,如418MHz、433MHz、900MHz等。采用低頻射頻技術(shù)的系統(tǒng)中必須存在射頻發(fā)射器和射頻接收器,系統(tǒng)利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)差（TDOA）或者信號(hào)的長(zhǎng)度來測(cè)量對(duì)象的三角位置。但是這種技術(shù)的定位誤差太大,一般為1~3m,因此不能為普適計(jì)算所用。 ② 紅外線。采用紅外線定位技術(shù)的系統(tǒng),一般通過移動(dòng)設(shè)備在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射紅外波來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過接收這些紅外波并計(jì)算到達(dá)時(shí)間（TOA）來測(cè)量對(duì)象的位置,但其缺點(diǎn)是容易受到太陽光的干擾,而且精確度不高,不能滿足室內(nèi)定位感知系統(tǒng)的要求。 ③ 全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS是近幾年來得到廣泛應(yīng)用的定位系統(tǒng),它利用衛(wèi)星系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定位功能。但是一旦在室內(nèi),衛(wèi)星信號(hào)便會(huì)丟失,GPS系統(tǒng)就失去了功能,無法進(jìn)行定位服務(wù);而且其定位的誤差一般達(dá)到10m,因此無法被應(yīng)用到模型中去。 ④ 超聲波。超聲波傳感器一般工作在40~130kHz的范圍內(nèi),它利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA進(jìn)行精確的距離計(jì)算,系統(tǒng)利用這些距離信息進(jìn)行三邊測(cè)量運(yùn)算。超聲波接收器測(cè)量其與發(fā)射器的距離時(shí)使用一個(gè)預(yù)定的頻率。通過使用多個(gè)接收器,一般一個(gè)二維定位測(cè)量必須最少有2個(gè),最好用4個(gè)或更多個(gè),才可能得出一個(gè)比較精確的結(jié)果。主要是因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)容易受到高頻信號(hào)的干擾,而且容易因?yàn)榉瓷涠玫藉e(cuò)誤結(jié)果。在AT&T實(shí)驗(yàn)室的Bat系統(tǒng)中,定位所產(chǎn)生的誤差能夠被控制在3cm以內(nèi);因此,超聲波技術(shù)是一項(xiàng)適合普適計(jì)算的技術(shù)。 2 一種普適計(jì)算定位感知系統(tǒng)模型 考慮到目前世界上已有的系統(tǒng)一般都是單一的定位系統(tǒng)或者位置系統(tǒng),所實(shí)現(xiàn)的服務(wù)功能比較單一,都不太適于普適計(jì)算。 2.1 系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu) 下面一種我們自行設(shè)計(jì)的定位感知系統(tǒng)模型具有如下特點(diǎn)： ◇ 實(shí)現(xiàn)了最小功能的簡(jiǎn)單定位感知系統(tǒng)模型;
◇ 將定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)結(jié)合在一個(gè)體系結(jié)構(gòu)中;
◇ 在不考慮誤差的情況下,能夠利用三角計(jì)算實(shí)時(shí)確定對(duì)象的二維位置及行動(dòng)方向;
◇ 系統(tǒng)能夠積極主動(dòng)為用戶提供信息服務(wù); 圖2是這一模型的簡(jiǎn)單體系結(jié)構(gòu)圖。 |
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