（计算机科学与技术专业论文）基于wifi技术的定位系统的设计与实现.pdf

j tl 独创性( 或创新性) 声明 l i i i i ii ii i i l l1 1 1 1 1i qli i i iqlli y 17 5 9 12 2 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 、-j 本人签名： 熟壹l 同期：型! ：圭! 生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：= ! ! 叁! 皇 日期：21 ! ：堡z 基于w if i 技术的定位系统的设计与实现 摘要 随着w i f i 技术的不断发展，无线城市的推动，w i f i 技术被广泛应用 于各个行业。定位服务市场同样发展迅速，定位服务需求量迅速增长。 例如，医疗行业中重症病人跟踪监护，产房婴儿防偷，贵重医疗设备监 控；商场购物车定位，顾客消费习惯收集；监狱重点犯人跟踪；出行路 线导航，实时位置查询服务等。由于g p s 卫星定位具有需要在相对空旷、 高层建筑不密集的地方才能比较精确的定位，而且在户内无法使用，耗 电量较高的特点，因此利用广泛存在的w i f i 网络，对处于楼群密集或 者室内目标进行定位成为最佳技术选择。通过w i f i 网络进行定位，可 以弥补g p s 在建筑密集或者室内应用的限制，扩大定位服务的应用行业 和范围，提高定位精度，降低部署成本，提高设备利用率，增强应对突 发事件的救援能力，具有重要的社会意义。 本文学习了w i f i 技术的基本原理和底层通信协议等知识，介绍了基 于网络的无线定位技术，着重介绍了基于信号强度的定位技术( r s s i ) 的特点，重点分析了能够在w i f i 网络实施的基于r s s i 经验值的定位技 术的实现方法和基于概率模型的定位策略。本文在以上知识的基础上， 设计并开发了一个基于w i f i 技术的定位系统。系统设计为包括客户端 和服务器端两部分的应用系统，主要包括：客户端模块，定位模块，图 形显示模块，系统登录模块，用户管理模块，设备管理模块等七大模块。 并通过编写代码实现了各个模块和整个系统的设计功能，本文中还详细 介绍了在实验环境下对系统的测试过程以及测试结果，对测试结果进行 精确度分析。本文的最后对题取得的成果进行了简单的总结，并指出系 统还存在的问题，并根据本课题现在的研究成果进行了展望。 关键词w i f i 定位系统经验值概率模型j 2 e e d e s i g na n di m p l e m e n l = p 汀1 0 no fp o s t i o n i n g s y s t e mb a s e do nw i f it e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i f it e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc i t y , w i f it e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e di n v a r i o u si n d u s t r i e s s i m i l a r l y , i nl o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e sm a r k e t ，t h e d e m a n df o rl o c a t i o n b a s e ds e r v i c e sg r o w sr a p a i d l y f o re x a m p l e ，t h eh e a l t hc a r ei n d u s t r y , e m p h a s i so np a t i e n tc a r et r a c k i n g ，a n t i - s t e a lt h eb a b yd e l i v e r yr o o m ，e x p e n s i v em e d i c a l e q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，s h o p p i n g c a r tp o s i t i o n i n g ，c u s t o m e rs p e n d i n gh a b i t s o fc o l l e c t i o n ；p r i s o ni n m a t e sf o c u st r a c k i n g ；t r a v e lr o u t en a v i g a t i o n ，r e a l - t i m el o c a t i o no f i n q u i r i e s a st h eg p ss a t e l l i t ep o s i t i o n i n g , i tc a np r o v i d ep r e c i s e l yp o s i t i o n i n go n l y w h e r er e l a t i v e l yo p e n ，n o n eh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，c a n tb eu s e di n d o o r sa n di th a sh i g h e r p o w e rc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，i ni n t e n s i v ei n d o o rp o s i t i o n i n gt a r g e t s ，p o s i t i o n i n gs y s t e m b a s e do nw i f it e c h n o l o g yb e c o m et h eb e s tc h o i c e t h r o u g ht h ew i f in e t w o r kl o c a t i o n ， v o uc a nm a k eu pf o rg p si n t h ec o n s t r u c t i o n i n t e n s i v eo ri n d o o ra p p l i c a t i o n s ， r e s t r i c t i o n sa n de x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fl o c a t i o n b a s e ds e r v i c e si n d u s t r i e sa n dr a n g e ， a n di m p r o v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，r e d u c ed e p l o y m e n tc o s t s ，i m p r o v ee q u i p m e n t u t i l i z a t i o n ，e n h a n c er e s c u ec a p a b i l i t i e st or e s p o n dt oe m e r g e n c i e sh a si m p o r t a n ts o c i a l s i g n i f i c a n c e h e r ew et a l k e da b o u tt h ew i f it e c h n o l o g ya n dl e a r nt h eb a s i cp r i n c i p l e s ，t h e u n d e r l y i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dw e b - b a s e dw i r e l e s sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , f o c u s i n go na n a l y s i so ft h ep o s t i o n i n gt e c h n o l o g yb a s e d o ns t a t i s t i c se x p e r i e n c e so fr s s i ， p r o b a b i l i s t i cm o d e l b a s e dp o s i t i o n i n gs t r a t e g y b a s e do na b o v ek n o w l e d g e sw ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t a e dt h ef u n c t i o no ft h i sp o s i t i o n i n gs y s t e m ，i n c l u d i n g c l i e n ta n d s e r v e r - s i d ea p p l i c a t i o n s m a i n l yi n c l u d e ：c l i e n t - s i d em o d u l e s ，p o s i t i o n i n gm o d u l e s ， g r a p h i cd i s p l a ym o d u l e ，t h es y s t e ml o g i nm o d u l e ，t h eu s e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，d e v i c e m a n a g e m e n tm o d u l e a n di m p l e m e n t e dt h ev a r i o u sm o d u l e sa n dt h e e n t i r es y s t e m d e s i g nf e a t u r e sb yc o d i n g i nt h el a be n v i r o n m e n tt o t e s tt h es y s t e m ，a n dd e s i g n e dt e s t c a s e sa r eu s e di nt h el a be n v i r o n m e n ta n dab r i e fa n a l y s i so ft h er e s u l t s t h ef i n a lc h a p t e r b r i e f l ys u m m a r i z et h eo b t a i n e dr e s u l t sa n dp o i n t e do u tt h a tt h ef u n c t i o nn o ty e tb e e n a c h i e v e d ，a n dm a k eaf u t u r eb a s e d o nt h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i ss u b j e c t h k e yw o r d sw i f ip o s i t i o n i n gs y s t e mj 2 e e p r o b a b i l i t ym o d e l m 目录 第一章引言1 1 1课题研究的背景和意义1 1 2国内外该领域的研究现状l 1 2 1 困外w i f i 定位系统实例介绍2 1 2 2 国内w i f i 定位系统实例介绍3 1 3本论文的工作内容4 1 4结构安排4 第二章相关技术介绍5 2 1w l f i 的网络拓扑结构5 2 2w i f i 的基本服务介绍6 2 2 1 站点服务( s s ) 7 2 2 2 分发系统服务( d s s ) 8 2 3w l f i 工作站的接入过程9 2 4 基于网络的无线定位技术1 0 2 4 1 基于电波传播时间( t o a ) 1 0 2 4 2 基于电波传播时间差( t d o a ) l l 2 4 3 基于信号强度( r s s i ) 一1 l 2 4 4 基于电波入射角( a o a ) 1 1 2 4 5 基于蜂窝小区标示( c e l l i d ) 1 2 2 5 基于终端的无线定位技术1 2 2 5 1 全球卫星定位技术( g p s ) 1 2 2 5 2 辅助全球卫星定位技术( a - g p s ) 1 3 2 5 3 增强观察时间差定位技术( e o t d ) 1 3 第三章基于w i f i 的定位方法及定位系统的设计1 4 3 1 系统的定位方法研究1 4 3 1 1 系统的拓扑结构1 4 3 1 2 系统采用的定位方法1 4 3 2 系统的软件设计方案2 0 3 2 1 系统软件总体设计2 0 3 2 2 服务器端定位模块设计2 0 3 2 3 服务器端管理模块设计2 3 3 2 4 服务器端显示模块设计2 5 3 2 5 服务器数据库设计2 6 3 2 6 客户端模块设计2 7 第四章基于w i f i 定位系统的实现2 9 4 1 服务器端定位模块实现2 9 4 1 1 定位数据消息格式2 9 i v 4 1 2 计算定位结果3 0 4 2 服务器端管理模块实现3 l 4 2 1 系统登录模块实现3 1 4 2 2 用户管理模块实现3 2 4 2 3 移动设备管理模块实现3 4 4 2 4 服务器端显示模块实现3 5 4 2 5 退出3 6 4 3 客户端模块实现3 7 4 3 1 相关a p i 3 7 4 3 2d e v i c e d i a l o g 模块3 8 4 3 3w l a n s c a n 模块3 9 4 3 4p r o c e s s i n g 模块4 l 4 3 5s o c k e t 通信模块4 3 4 3 6 训练点采集工具4 3 第五章定位系统测试及结果分析4 5 5 1 测试环境准备4 5 5 1 1 测试环境搭建4 5 5 1 2 测试区域选择4 5 5 1 3 建立经验数据库4 6 5 2 测试方案4 6 5 2 1 系统功能性测试4 6 5 2 2 系统定位精度测试4 9 第六章总结与展望5 l 6 1 总结5 1 6 2 展望5 l 参考文献5 3 致谢5 5 硕士期问发表论文5 6 v 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 第一章引言弟一早ji 百 1 1 课题研究的背景和意义 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) “无线保真”，从1 9 9 7 年无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 发布以来，在拥有众多在业界非常领先的公司组成的w i f i 联盟的大力推动下，同 时w i f i 具有覆盖范围大、无需布线、传输速率快和发射功率小的技术优势，w i f i 迅猛发展，由于现在的笔记本电脑、p d a 和手机等都支持w i f i 技术，用户具有移 动办公等需求，w i f i 技术被广泛应用于各个行业，w i f i 网络的接入点遍布于酒店、 咖啡厅、学校和医院等场所。可以说w i f i 在生活中无处不在。 定位服务市场同样发展迅速，定位服务需求量迅速增长。例如，医疗行业中重 病人跟踪监护，产房婴儿防偷，贵重医疗设备监控；商场购物车定位，顾客消费习 惯收集；监狱重点犯人跟踪；出行路线导航，实时位置查询等。g p s 卫星定位，需 要在相对空旷、高层建筑不密集的地方才能比较精确定位，户内无法使用且耗电量 较高。但是当g p s 的接收机在楼群密集的城市或者室内工作的时候，由于信号强度 受到建筑物的影响而大大衰减，导致定位精度低甚至不能够完成定位，a g p s 的定 位实现必须通过多次网络传输( 最多可达6 次单向传输) ，这对运营商来说无异于大 量空中资源被占用。因此利用广泛存在的w i f i 网络，对处于楼群密集或者室内定 位目标进行定位成为最佳选择技术，有着非常好的发展前景，因此被很多厂商看好。 通过w i f i 网络进行定位，可以弥补g p s 在建筑密集或者室内应用的限制，扩 大定位服务的应用行业和范围，提高定位精度，降低部署成本，提高设备利用率， 增强应对突发事件的救援能力，具有重要的社会意义。 1 2 国内外该领域的研究现状 全球定位服务的主要发展区域包括北美、亚太以及欧洲三大市场，其中以亚太 市场的发展最早也最快，尤其是日、韩两囡。在日本市场，由于移动数据服务市场 竞争激烈，为提供更多差异化的增值服务，日本运营商早在2 0 0 0 年就开始推出移 动定位服务。通过与平台供应商、内容增值服务商合作，日本的l b s 服务内容非常 丰富。目前，韩国已通过隐私权保护的法令制定，同时也成立相关的定位服务产业 协会，驱动韩国市场的定位服务迅速发展，而主要的l b s 运营商包括s k t 、k t f 、 l g t 等都推出了相关l b s 应用，内容涵盖商业( 移动商务、移动付款、广告、出 租车呼叫) 与个人( 老人、紧急救援、儿童追踪) 市场，促进l b s 产业体系得以迅 速成长。不过在2 0 0 6 年之后，随着北美业者因应e 9 1 1 ( 紧急救援服务) 政策的系 统设备更新逐步完成，s p r i n t n e x t e l 、v e f i z o n w i r e l e s s 等运营商也开始积极推广l b s 应用。在欧洲，也有类似美国e 9 1 1 的紧急救援法令颁布，不过由于技术更新或是 投资回报率考虑等因素而采取保守的推动策略，相对于亚太与美国业者，发展程度 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 相对落后。 国内的w i f i 网络建设起步比较晚，但是最近几年发展迅速。上海市计划在2 0 1 0 年前建立起覆盖全市的高速无线网络；北京市预计在今年年底以前完成五环以内的 城区普及无线宽带高速上网；其他许多城市也相继开始大规模建设无线网络。个人 位置服务的发展在法律层面，还牵涉到用户隐私的保护问题。我国法律在民法 中确定了了对公民名誉权的保护，但对于用户位置的隐私性质没有详细的阐述或明 确规定。这一立法上的相对滞后，可能影响l b s 产业的发展。如何促进用户认识各 种深入的增值应用服务，并形成有效需求和使用习惯，成为l b s 市场的关键。由于 相关创新涉及很多跨领域合作，目前我国的l b s 创新还属于相对匮乏的阶段。但国 内已有一些公司开发出可以能够基于w i f i 技术的实时定位解决方案。 1 2 1 国外w i f i 定位系统实例介绍 e k a h a u 公司的e k a h a u 实时定位系统核心专利技术来源于芬兰赫尔辛基大学的 实时定位技术，是一个基于w i f i 网络的定位技术，能够在任何品牌的w i f i 网络上 进行定位工作并且提供房间、楼层或者大楼级别的定位精确度。作为基于纯软件的 解决方案，e k a h a u 实时定位系统不需要操作者、新的电缆和硬件驱动。 e k a h a u 实时定位系统主要通过保存在数据库中某些特定位置的信号强度对比 当前移动终端收到的信号强度，并以统计的条件概率作为参考来确定移动终端的位 置。该系统首先将室内空间的设计图做成图片( b m p 、p n g 或者j p g 格式) ，然后将 该图片导入作为e k a h a u 定位引擎的软件界面，定位引擎会根据图片自动生成需要 进行信号强度测试的训练点。接着由安装了定位引擎客户端软件的移动终端进入被 定位的环境，并在需要测量信号强度的训练点停留，供定位标签测量并保存移动终 端发送的信号强度，定位环境内的所有定位标签都会测量移动终端的信号强度并保 存到数据库。同时数据中的信息会与实际走过的路径进行对比，衡量两者之间的误 差并产生冗余的定位信息保存到数据库。最后，当移动终端位于被定位环境中的时 候，定位环境内的定位标签会将收到的移动终端的信号强度发送定位引擎，定位引 擎会考虑到环境内的障碍物、物体摆设和使用者偏好等因素并结合数据库中的信息 计算出移动终端位置，并根据数据库中冗余信息条件概率的推算，进行移动终端位 置的修正从而得到比较精确的定位结果。 i s p o t s 系统是美国麻省理工学院为监视和收集校园中w i f i 网络的使用数据而 建立。整个系统采用2 3 0 0 个接入点几乎全部覆盖面积为1 6 8 英亩的整个校园，除 提供全校的无线上网外还提供基于w i f i 的校园定位，并在校园图书馆前以投影机 投影超大校园地图，标明校区使用无线网络的使用情况。同时还可以查询某个地方 最近1 2 个小时的无线网使用记录，通过无线网络的日志了解全校师生的生活工作 2 ， 北京邮电大学硕：t 学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 情形。该系统还允许通过m a c 地址接入无线网络的使用建立自己个人日志和移动轨 迹，在同意分享的情况下朋友可以在校园追踪自己的位置，从网络上获取自己使用 无线网的日志和移动轨迹。 1 2 2 国内w i f i 定位系统实例介绍 2 0 0 9 年3 月3 0 日，e k a h a u 公司作为w i f i 实时定位系统( r t l s ) 的领先供应商， 向外宣布其中国市场的实时定位系统正式应用于北京地坛医院。北京地坛医院用于 跟踪病人和资产的e k a h a u 实时定位系统由上海希华通讯科技有限公司和北京优益 天成公司合作实施完成。e k a h a ur t l s 应用于北京地坛医院现有的思科w i f i 无线局 域网的基础上，而无需增加额外的网络基础设备。主要应用于医院追踪资产、设备 和病人。及时了解和掌握关键工作人员、资产和医疗设备的实时位置信息已成为医 疗保健机构的主要任务之一，这能帮助医疗保健机构降低成本、改善工作流程和提 高病人护理服务质量。 优频科技是我国最早的w i f i 实时定位系统提供商之一。经过精心研究，优频 科技获得多项创新性成果和多项专利并成功地掌握了具有完全自主知识产权的实 时定位核心技术，该技术主要技术指标均达到或超过世界同类产品水平，并在设计 和功能上有独特的创新。该w i f i 实时定位系统，实际上是对既有w i f i 网络功能进 行扩充，消费者只需购买我们的软件系统和w i f i r f i d 标签就能轻松实现实时定位 功能。该系统的工作原理：定位标签或者无线设备周期性地发出无线信号：a p 接收 到信号后，将信号传送给定位服务器：定位服务器根据信号的强弱或信号到达时差 判断标签或无线设备所处位置，并通过电子地图显示。 该系统由广州迈明电子科技有限公司开发，系统组成：无线路由设备：普通无 线路由器；t - 3 0 1 ( w i f i ) 电子标签：e k a h a u 最新研制的新型w i f i 有源标签，电池 寿命可以达到5 年，而且有两个指令按钮以便启动其它应用。同时内部含有移动传 感器和防拆装置；定位引擎( e p e ) ；场所测量( s i t es u r v e y ) ；应用软件：含t r a c k e r 、 f i n d e r 、e k a h a uv i s i o n 。 定位原理：w i f i 定位标签安装在要跟踪的目标物体( 资产或人员) 上，定位标 签周期性地发出无线信号，接入点( a p ) 接收到信号后，将信号传送给定位引擎 e p e ，e p e 根据收到的无线信号的强弱，计算判断出该标签所处位置，并通过 e k a h a u v i s i o n 可视化界面，显示其具体位置，实现实时精确定位跟踪与管理。 通过国内w i f i 定位系统的介绍，我们可以发现，e k a h a u 定位技术在国内得到 了很多的厂商的应用。 3 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 1 3 本论文的工作内容 本论文的主要工作包括： 1 了解并学习了w i f i 技术的基本原理和底层通信协议等知识。 2 论文的了解无线定位技术，重点学习能够在w i f i 网络实施的定位方法。 3 根据现有的设备条件，设计定位系统的定位策略。 4 对系统各模块进行设计实现并进行测试。 5 选取训练点，采集数据，构建系统的定位数据库。 6 在实验环境下对系统进行测试，并对定位测试结果进行精确度分析。 1 4 结构安排 本课题主要内容是基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现，文章采用的结构 安排主要是根据课题进行的不同阶段所需要相关知识的准备，系统的结构的设计， 各个功能模块的设计，各模块的具体实现这样的的先后顺序进行组织的，各章节的 具体安排如下： 第一章，绪论，介绍了课题的背景与研究意义、国内外基于w i f i 技术定位系 统的研究现状以及本课题的研究内容。 第二章，介绍w i f i 技术相关知识，包括w i f i 网络中一些基本概念、基本服务 和工作站接入过程和几种主要的无线定位技术。 第三章，定位系统的方法和软件设计，主要介绍了本课题定位系统采用的定位 方法、定位系统的架构，各个模块的设计等。 第四章，定位系统的实现，主要介绍了定位系统各个模块的主要功能的实现方 法。 第五章，系统测试及测试结果，主要介绍该定位系统的测试环境，采用的测试 用例以及在实验环境下的测试结果和简要分析。 第六章，总结与展望，对于本课题取得的成果简单总结，并指出还未实现的功 能，并根据本课题现在研究成果对进一步工作进行展望。 4 北京邮电大学硕士学位论文 基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 第二章相关技术介绍 2 1wifj 的网络拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 1 工作于2 4 g h z 频段，理论值的最高速率为2 m b p s ，在物理层定义 了两种无线电射频( r f ) 传输方式和一种红外线传输技术，其中r f 传输标准包括 直接序列扩频技术( d s s s ) 和调频扩频技术( f h s s ) n 】。同时i e e e8 0 2 1 1 的媒介 访问控制子层对于多路访问控制采用碰撞回避( c a ) 协议，而不是以太网中的碰撞 检测( c d ) 协议。在i e e e8 0 2 1 l 标准中，定义了两种通信模式：对等模式和基础 结构模式，具体的拓扑结构主要有以下几种，其中独立基本服务集网络( i b s s ) 为 对等模式，其他两种网络均为基础结构模式。采用点对点模式和基本模式两种工作 模式，在数据传输速率方面可以实际情况在11 m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s 不 同速率之间进行自动转换，且在2 m b p s 和1 m b p s 的传输速率上与i e e e8 0 2 11 d s s s 系统兼容心1 。 i b s s 网络是一个独立的b s s ，它没有接入点作为连接的中心。这种网络也叫做 非结构组网( a d h o c ) 网络或对等网络( p e e rt op e e r ) ，i b s s 网络属于一种特殊 的无线移动网络，在这种网络中所有的无线节点的地位都是平等的，不需要设置任 何的控制节点。这种网络的工作站之间不需要经过授权与认证就可以直接通信，但 是要求两者距离在直接通信的范围之内。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需 要的功能，还需要具有报文的转发能力。这种网络具有地位等同、动态结构、灵活 性好、和高可靠性等优点。 图2 - 1b s s 网络拓扑结构 基本服务集网络要求有一个接入点作为连接中心，所有的工作站对网络的访问 5 北京邮电大学硕士学位论文基于 ) 一r t f i 技术的定位系统的设计与实现 均由接入点控制。在接入点的覆盖范围内，所有连接到该接入点的工作站组成一个 基本服务集b s s ，基本服务集中的所有数据传输都需要接入点的进行转发。使用接 入点的m a c 地址作为网络的b s s i d ，工作站要想获取网络的服务必须与接入点建立 关联，并且一个工作站只能同时与一个接入点连接。 图2 2b s s 网络拓扑结构 为了实现工作站跨越基本服务集的范围进行移动，i e e e8 0 2 1 l 标准规定了扩 展服务集网络。扩展服务集网络利用分发系统将几个基本服务集网络连接起来，同 一个扩展服务集网络中的接入点使用相同的服务及标识，并且通过分发服务进行合 作。在扩展服务集网络中，基本服务集网络是构成网络的最小单元，类似与蜂窝移 动通信中小区，每个基本服务集网络中接入点以有线方式接入。 2 2w i f ；的基本服务介绍 图2 - 3e s s 网络拓扑结构 i e e e8 0 2 1l b 体系结构允许分布式系统可以不同于现有有线局域网，可以使用 不同的技术包括当前i e e e8 0 2 有线局域网技术来构建分布式系统，不限制分布使 6 北京邮电大学硕士学位论文 基于晰f i 技术的定位系统的设计与实现 系统是基于数据链路层还是基于网络层，也不限制分布式系统是集中式的还是分布 式的。i e e e8 0 2 1 1 b 并没有明确指定分布式系统实现细节，取而代之的是详细说明 了网络服务。这些服务与i e e e8 0 2 1 1 体系结构的不同构件有关，这些服务可以被 分为两类：s t a 服务( s s ) 和d s 服务( d s s ) ，这两类服务由i e e e8 0 2 1 1 b 的m a c 层使用。s t a 服务包括认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 、解除认证( d e a u t h e n t i c a t i o n ) 、 加密( p r i v a c y ) 和媒介访问控制服务数据单元交付( m s d ud e l i v e r y ) ；d s 服务包 括关联( a s s o c i a t i o n ) 、重新关联( r e a s s o c i a t i o n ) 、分离( d i s a s s o c i a t i o n ) 、 分发( d i s t r i b u t i o n ) 和整合( i n t e g r a t i o n ) 。i e e e8 0 2 1 1 n 标准高吞吐量上有比 较大的突破，计划将无线局域网的传输速率从i e e e8 0 2 1 1g 的5 4 m b p s 增加到 1 0 8 m b p s 以上，是下一代无线网络技术的标准，可支持对带宽最为敏感的应用所需 的速率、范围和可靠性。该标准结合了多种技术，其中包括空间多路复用多入多出 ( s p a t i a lm u l t i p l e x i n gm i m o ) 、2 0 和4 0 m h z 信道、双频带( 2 4 g h z 和5 g h z ) 和 智能天线技术，以便形成很高的速率，同时又能够与i e e e8 0 2 1 l b g 设备兼容。 为了提高网络的吞吐量，该标准还对i e e e8 0 2 1 1 标准的单一m a c 层协议进行优化， 改变了数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管理检错所占的字节数，大大 提升了网络的吞吐量。同时该标准使用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天 线阵列系统，动态调整波束的方向，保证用户能够接收到稳定的信号，有效减少其 它噪音信号的干扰，使无线网络的传输距离能够增加到几公里。该标准还采用软件 无线电技术，解决不同标准采用不同的工作频段、不同的调制方式，造成系统问难 以互通，移动性差的问题。软件无线电技术是一个完全可编程的硬件平台，所有的 应用的通过该平台的软件编程实现，不同系统和的基站和移动终端都可以通过这一 平台的不同软件实现互通和兼容，使得无线局域网的兼容性得到极大的改善口1 。同 时该标准采用智能天线技术，通过多组( 一般为3 根天线) 独立天线组成的天线阵 列，可以动态调整波束，以使每个用户都获得最大的主瓣，并尽可能减少旁瓣的干 扰。这样不仅能够增强信号的抗干扰能力，同时也能够提高系统容量，将无线局域 网传输距离扩大到几公里并且保障不低于1 0 8 m b p s 的速率。 2 2 1 站点服务( s s ) 认证服务是i e e e8 0 2 1 1 提供局域网访问控制的手段，能够被所有工作站用来 确定与其通信的对方站点的身份，任何一个站点必须首先证明了自己的身份之后才 允许发送数据。i e e e 8 0 2 1 1 支持几种认证过程，认证机制允许对受支持的认证方案 进行扩展，并且不强制使用任何某种特定的认证方案。i e e e 8 0 2 1 1 提供工作站之间 的链路级认证，不提供端到端之间( 消息源到消息目的地) 的认证，也不提供用户 到用户之间的认证。认证是关联的必要前提，只有经过认证的用户才能使用网络， 7 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 工作站在与无线网络连接的过程中可能要经过多次身份验证。 解除认证服务是为了结束一段身份验证关系。解出认证无须请求，只是一个通 知，不应该被参与的任何一方拒绝。由于认证是关联的先决条件，所以解除认证的 动作会导致工作站的关联会被拆除，工作站收到解除认证的通知后双方之间的关联 就被终止。 加密服务是为了是无线局域网有与有线局域网相同的安全性而由工作站提供 的服务，一般由有线等效加密协议( w e p ) 提供。只是对数据帧和某些鉴权管理帧 才会使用加密服务，所有的工作站都是在“透明信息状态 开始工作的。如果这种 默认状态未被另一方工作站所接受，那么在l l c 实体之间就不能成功地进行数据帧 通信。被强制在加密方式下工作的一个工作站接收到未加密的数据帧，然后使用本 接收站点无效的密钥对数据进行解密，最后该数据帧因为不能解密而被丢弃，而且 该数据帧的丢弃对l l c 没有任何指示。 媒介访问控制服务数据单元交付服务负责将数据传送到实际的数据接收端，提 供一种传送和接收数据的方法。由于i e e e8 0 2 1 l 参考了以太网的模型，而以太网 的传输过程并不保证完全可靠，所以i e e e8 0 2 1 1 的传输过程也不保证可靠性。上 面的层处理检错和纠错工作h 1 。 2 2 2 分发系统服务( o s $ ) 关联服务是用来建立接入点与特定工作站之间映射关系，分布式系统利用这种 映射关系来完成消息的分发服务。典型情况下，当一个移动站进入到一个基站的无 线电距离范围之内的时候，这种服务就会被用到。一旦一个关联被建立，工作站就 可以通过接入点充分利用分布式系统进行通信。关联总是由移动工作站来初始化 的，而不是由接入点来初始化的。一个接入点可以在同一时刻与多个工作站相互关 联，一个工作站知道接入点当前的情况，可以通过调用关联服务来申请建立一个关 联。 重新关联服务是用来变更接入点与特定移动工作站间的关联，把当前的一个关 联从一个接入点“搬移到另一个接入点。当移动工作站在同一个e s s 里的不同b s s 之间移动时，它会根据信号强度切换所关联的接入点。重新关联也能改变一个已建 立关联的关联属性，同时工作站保留与同一个接入点的相互关联。重新关联也总是 由移动工作站来初始化。 分离服务用来从网络移除无线工作站，工作站用以结束现有关联关系。一个工 作站在离开或者关闭之前需要终止当前关联，应该先使用这项服务。去关联服务可 以由相互关联的任何一方调用，去关联是一个通知而不是一个请求，不能够由相 互关联的一方拒绝。 3 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 分发服务是i e e e8 0 2 1 1 b 工作站使用的主要服务，当通过分布式系统发送数 据消息帧时，对于一个正在运行的扩展基本服务集中运行的工作站，输入该工作站 或者从该工作站输出的每个数据消息都需要调用分发服务。这项服务决定了如何路 由那些发送给基站的帧，如果帧的目标对于基于基站来说是本地的，则将该帧直接 发送到空中，否则的话，它们必须通过有线网络来转发。i e e e8 0 2 1 1 没有规定消 息如何在分发系统中被分发，只是要求i e e e8 0 2 1 1 完成的全部任务就是为分发系 统提供足够的信息，以便使分发系统能够根据预定的接收方找到相应的消息输出 点，然后经过该输出点就可以找到预定的接收方。 整合服务被用来将帧传送到一个非i e e e8 0 2 1 l 网络，并且该网络使用了不同 的编址方案或者不同的帧格式，则通过这项服务可以将i e e e8 0 2 1 l 格式的帧翻译 成目标网络所要求的帧格式。由分布式系统提供服务，其功能因分布式系统而异， 细节依赖特定的分布式系统实现。 2 3w i f i 工作站的接入过程 ： 工作站接入网络的过程一般可以分为扫描、接入、鉴权和关联等几个子过程。 扫描过程分为被动扫描和主动扫描两种模式：被动扫描和主动扫描。在被动扫 描的模式下，工作站会侦昕每一个信道的信标帧，当一个信标帧被工作站接受以后， 工作站将保存这个信道所对应的e s s i o 、b s s i d 和时间戳。被动扫描只需要占用 网络中很少的信道和很短的标志帧间隔。工作站根据收集到的信标帧的信息，选择 合适的网络，设置自身的工作参数。主动扫描模式是一个更快速的扫描过程，在这 种模式下，工作站会发送一个探询帧，然后等待这个帧的回复消息。当该工作站接 收到一个应答之后，就会保存与前面被动扫描相同的相关信息哺1 。在扫描之后，工 作站将选择一个最优的接入点接入网络，设置自身的工作参数。 接入过程主要包括一下几个步骤：在主动模式下首先工作站发送探询帧，接入 点接收到探询帧后发送探询响应帧，工作站根据收到的探询响应帧选择最优的接入 点，然后像最优接入点发送接入请求，接入点根据请求发送接入响应，完成工作站 的接入过程。 鉴权指的是对工作站点身份验证，包括两类鉴权机制：开放系统鉴权机制和共 享密钥鉴权机制。开放系统鉴权是最简单的一种有效认证算法，其实质是一个值为 空的鉴权算法。如果接收工作站被设置为开发系统鉴权，则任何要求使用这种算法 进行认证的工作站都可以被允许。共享密钥鉴权既支持知道密钥的情况下的工作站 鉴权，也支持不知道密钥情况下的鉴权。共享密钥鉴权在实施鉴别时不需要工作站 明确地传送密钥，取而代之的是采用w e p 机制。因此，该认证方式只有在w e p 选中 时才有效，出于保密的要求，共享密钥假设已经通过一个安全的，独立于i e e e8 0 2 1 1 9 北京邮电大学硕士学位论文基于w i f i 技术的定位系统的设计与实现 信道传送到关联工作站。在共享密钥鉴权交换期间，测试字符串和加密的测试字符 串同时被传送，这样很容易发现交换过程中未经授权的初始化向量的伪随机序列， 因此同样的初始化向量在后续帧也不应该被使用。 关联过程在a d - h o c 网络方式不需要关联过程，在基础结构网络方式下必须