《Wi-Fi室内定位理论、技术及应用》主要聚焦Wi-Fi室内定位的基本理论、技术及应用。*先，介绍位置服务的需求，并对目前室内外定位技术进行简要概述；其次，重点分析Wi-Fi定位原理、误差来源及其抑制技术；再次，介绍Wi-Fi定位精度限理论，包括基于RSS和CSI的定位精度限理论，并给出了验证分析；接着，介绍Wi-Fi定位接入点优化方法，包括静止和移动情况下的AP优化技术；然后，介绍基于流形学习的位置指纹定位方法及基于众包轨迹的室内运动地图构建的运动目标定位方法，包括指纹库构建、目标匹配定位及性能分析；*后，介绍Wi-Fi入侵检测技术，包括入侵检测数据库的构建、基于迁移学习的入侵检测算法及实验验证，并对实验结果进行分析。《Wi-Fi室内定位理论、技术及应用》兼具理论性、资料性和实践性。

目录
第1章 位置服务与室内外定位 1
1.1 位置服务 1
1.2 卫星定位 4
1.2.1 卫星定位概述 4
1.2.2 GPS卫星定位 5
1.2.3 北斗卫星定位 7
1.2.4 格洛纳斯卫星定位 8
1.2.5 伽利略卫星定位 9
1.3 室内定位 10
1.3.1 Wi-Fi定位 10
1.3.2 RFID定位 11
1.3.3 蓝牙定位 12
1.3.4 UWB定位 13
1.3.5 红外定位 14
1.3.6 声学定位 15
1.3.7 视觉定位 15
1.3.8 5G基站定位 17
1.3.9 运动传感器定位 19
1.3.10 可见光定位 20
1.3.11 地磁定位 21
1.3.12 量子定位 22
1.4 参考文献 23
第2章 Wi-Fi定位原理及误差分析 25
2.1 引言 25
2.2 Wi-Fi定位技术原理 25
2.2.1 基于TOA的Wi-Fi定位 25
2.2.2 基于TDOA的Wi-Fi定位 26
2.2.3 基于AOA的Wi-Fi定位 27
2.2.4 基于FTM的Wi-Fi定位 28
2.2.5 基于信号传播模型的Wi-Fi定位 29
2.2.6 基于位置指纹的Wi-Fi定位 30
2.3 Wi-Fi定位误差与抑制 31
2.3.1 RSS位置指纹测量误差与抑制 31
2.3.2 CSI幅值误差与抑制 38
2.3.3 CSI相位误差与抑制 40
2.3.4 FTM误差与抑制 42
2.4 本章小结 44
2.5 参考文献 44
第3章 Wi-Fi定位精度限理论 47
3.1 引言 47
3.2 基于Wi-Fi接收信号强度的定位精度限理论 47
3.2.1 Wi-Fi定位过程等效模型 47
3.2.2 Wi-Fi定位精度与信道容量的关系 48
3.2.3 基于RSS的定位精度限 50
3.2.4 基于SSD的定位精度限 54
3.2.5 实验性能及分析 56
3.3 基于Wi-Fi信道状态信息的定位精度限理论 60
3.3.1 CSI异步效应 60
3.3.2 CSI异步效应对定位精度限的影响 62
3.3.3 基于CSI的定位精度限 68
3.3.4 实验性能及分析 72
3.4 本章小结 76
3.5 参考文献 76
第4章 Wi-Fi定位接入点优化方法 78
4.1 引言 78
4.2 基于模糊聚类的冗余接入点约简方法 78
4.2.1 多维RSS特征提取与预处理 78
4.2.2 基于模糊聚类的AP相关性集合构建 80
4.2.3 AP位置分辨力 81
4.2.4 实验性能及分析 84
4.3 基于模糊粗糙集的冗余接入点约简方法 93
4.3.1 模糊粗糙集约简模型 93
4.3.2 基于模糊信息熵的冗余AP约简 95
4.3.3 实验性能及分析 96
4.4 基于信号分布特征的移动接入点约简方法 102
4.4.1 移动AP对定位精度的影响 102
4.4.2 移动AP约简的联合判断准则 106
4.4.3 实验性能及分析 109
4.5 本章小结 116
4.6 参考文献 116
第5章 Wi-Fi位置指纹库构建方法 118
5.1 引言 118
5.2 基于标签数据的半监督Wi-Fi指纹定位数据库构建方法 119
5.2.1 径向基函数网络构造及标签数据库自适应构建 119
5.2.2 基于Co-training算法半监督指纹定位数据库的构建 122
5.2.3 实验性能及分析 128
5.3 基于流形学习的Wi-Fi位置指纹库构建方法 141
5.3.1 用于位置指纹库构建的流形学习算法 141
5.3.2 指纹样本容量优化 145
5.3.3 初始位置指纹库构建及扩充 147
5.3.4 实验性能及分析 150
5.4 本章小结 161
5.5 参考文献 162
第6章 Wi-Fi室内运动地图构建与定位方法 164
6.1 引言 164
6.2 基于众包轨迹的Wi-Fi室内运动地图构建方法 165
6.2.1 无标记的众包轨迹预处理 165
6.2.2 基于众包轨迹的Wi-Fi室内运动地图构建 172
6.3 基于像素模板匹配的Wi-Fi室内定位方法 175
6.3.1 基于像素模板匹配的Wi-Fi位置指纹库构建 175
6.3.2 基于抗差卡尔曼滤波的Wi-Fi室内定位 178
6.4 实验性能及分析 180
6.4.1 Wi-Fi室内运动地图构建结果与分析 180
6.4.2 基于像素模板匹配的Wi-Fi室内定位结果与分析 182
6.5 本章小结 187
6.6 参考文献 188
第7章 Wi-Fi室内入侵检测方法 189
7.1 引言 189
7.2 Wi-Fi室内入侵检测方法分类 189
7.2.1 基于阈值的Wi-Fi室内入侵检测方法 189
7.2.2 基于分类的Wi-Fi室内入侵检测方法 191
7.3 基于GAN的Wi-Fi扩展入侵数据库构建及特征提取 193
7.3.1 生成器与判别器的构建 194
7.3.2 扩展入侵数据库的构建 195
7.3.3 特征提取 196
7.4 基于迁移学习的室内入侵检测算法 198
7.4.1 源域与目标域构建 199
7.4.2 MKMMD*小化处理 200
7.4.3 迭代迁移 204
7.5 实验性能及分析 205
7.5.1 实验环境及平台 205
7.5.2 性能评价指标 206
7.5.3 基于GAN的数据库扩展结果分析 207
7.5.4 基于迁移学习的入侵检测结果分析 214
7.6 本章小结 221
7.7 参考文献 221

第1章 位置服务与室内外定位
　　1.1 位置服务
　　位置信息作为人和物体在物理世界中的重要属性，能对万物运动做出定量描述。在视距可见范围内，人们早已在日常生活中感受到了空间距离的相对性，而随着空间活动范围的扩大，人们期待了解更为丰富、准确的位置信息。几千年前，善于观察的古人们已经能够依靠山脉、河流、海岸线等天然地标，进行粗略的位置估算。同时，他们也建造特殊的人造地标来辅助位置估算。作为古代东亚至欧洲之间陆上贸易往来通道的“丝绸之路”，承载着早期中国与各国之间的经济文化交流重任。古代灯塔以烽火台、塔寺为主要代表。烽火台以“昼则焚烟，夜则燃火”的方式成为中国古代军事的重要通信设施。而塔寺除了供奉神灵以保佑渔民平安归来之外，会在夜晚挂灯以作灯塔，引导船舶行驶。
　　在地标资源欠缺的外海上，早期远洋航海家就善于利用天文知识来指导航向。西汉《淮南子？齐俗训》曰“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则寤矣”；北宋朱彧在《萍洲可谈》中写道：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”可见古人常借助北斗星、太阳等星辰来分辨方向，即便在恶劣天气环境下也能够运用指南针，以期达到纠正行船航向的目的。然而，在航行实践中，舟师不仅需要懂得辨别船向，更想了解船只位置。因此，人们渐渐尝试通过测量测绘的方式获取位置信息，明代李诩曾说：“苏州马怀德牵星板一副十二片，乌木为之，自小渐大。大者长七寸余，标为一指二指以至十二指，俱有细刻若分寸然。又有象牙一块，长二寸，四角皆缺，上有半指半角一角三角等字，颠倒相向，盖周髀算尺也。”可见，明代舟师就尝试利用牵星术得知船舶所在纬度信息，再由航船速度估算距离得到经度信息，进而实现船舶的地理方位的估算。
　　所谓定位即经过测量后确定的位置信息，而这些测量值表征环境中的某一特定位置，且具备局部相关性。早期的测量方法大多依赖于通视的目测方法，其可用性会局限在特定的时间段或较好的天气状态。19世纪末，德国物理学家赫兹发现并验证无线电波的存在，开启了基于无线电的定位导航新领域。不同频段的无线电波可以用于不同覆盖范围的应用场景，早期无线定位技术多用于军事和航海等国家战略性领域，如卫星定位、雷达定位等。
　　*初阶段，人们发明制造了一系列陆基无线电导航系统，其中以奥米伽（Omega）、微波着陆系统、罗兰C（Loran C）等为主要代表，从而开启了无线电信标时代。由于陆基无线电导航系统存在信号覆盖范围有限，定位精度低等问题，星基导航定位系统应运而生。20世纪60～90年代，在美国国防部的领导下，全球定位系统（global positioning system，GPS）由初步研制逐步走向成熟应用。该系统由三个部分组成—空间部分、控制部分和用户部分，能够为用户提供定位、导航和授时等服务。美国政府于2000年左右解除SA（selective availability）显示选择码对GPS卫星民用通道的干扰后，极大地提升了民用GPS的定位精度，推动了GPS定位技术的民用化和商业化进程。全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）除了GPS定位系统外，还有俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）、我国自主研发的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）和欧洲联盟的伽利略导航卫星系统（Galileo satellite navigation system，GSNS）等卫星定位系统。对于BDS，由*初服务于中国境内的北斗一号系统，到发展至今的北斗三号系统，可用于覆盖“一带一路”国家的定位导航应用，并在2020年完成了BDS的全面建设以提供全球定位服务。2020年6月23日，北斗三号第30颗导航卫星的成功发射，意味着北斗系统将逐渐成为世界上第三个成熟的卫星导航系统。
　　1996年美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）正式通过Enhanced 911（E-911）规定。E-911要求通信运营商能够提供用户的位置信息，并随后不断更新并提高相关标准。尽管部分目标未能实现，但是FCC的一系列措施却推动着多国政府的位置服务标准制定以及多种移动通信系统中定位方法的标准化进程。根据现有技术水平，在室外空旷和视野宽广地区，如海上，携带GPS的终端设备可以实现米级定位精度，可满足多种实际应用需求。然而在城市峡谷、室内等环境中，由于建筑物和树木的遮挡，卫星定位信号衰减明显，可见卫星数也可能小于定位的*低要求，导致定位性能严重恶化。然而，人们大部分时间都在室内或密集市区活动，因此迫切需要合适的室内定位技术以满足该类场景下的定位需求。
　　位置服务（location-based service，LBS）是通过无线电通信网络或精准的外部定位GPS获取移动终端用户的位置信息，在地理信息系统（geographic information system，GIS）平台的支持下，依赖第三方位置服务提供商，向移动用户提供多元化、个性化的基于位置的增值业务。随着智能移动设备和多功能传感器的普及，LBS有着更加重要的意义和广泛的应用。1994年美国学者Schilit等*先提出了位置服务的三大目标—你在哪里（空间信息）、你和谁在一起（社会信息）、附近有什么资源（信息查询），成为位置服务的基础内容[1]。LBS在人们日常生活、工业生产、国家安全以及商业发展中扮演着重要的角色，如飞机、船舶及汽车导航，提升网络应用的安全性，物联网应用，定向广告推送，以及旅游导航等。LBS在火灾、地震等救援工作中的应用也逐渐受到重视，准确的位置信息有助于及时找到受害人员，同时保障救援人员自身安全。2010年以来，Foursquare掀起了一股LBS应用的热潮，Google、Apple、Facebook、Twitter等竞争力更强的国际性企业纷纷加入LBS市场的角逐中，国内的百度地图、高德地图、华为、美团等企业也都在部署LBS应用。LBS市场的发展不仅带来了经济的发展，也极大地提高了人们的生活体验。2016年7月，国务院《“十三五”国家科技创新规划》文件中也明确提出泛在精确导航与位置服务能够推动多种传统产业的重组及升级。因此，为了满足智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业发展的需求，基于室内外高精度定位技术的位置服务在全球信息产业竞争中已经成为新的制高点，也是我国经济转型升级的迫切需求。
　　在政府推广和市场需求的双重驱动下，无线定位技术受到了越来越多的关注。当前，根据场景需求的不同，已经有多种定位技术和相应的导航系统被研究开发并投入使用。较为成熟的室外定位系统主要以GNSS和蜂窝网定位技术为代表。这些室外定位技术能够对较大活动范围内的物体实现定位，基本满足了用户在室外场景中对位置服务的需求。而室内定位技术可以分为广域定位技术和局域定位技术。目前承载到广域网上实现广域覆盖的定位系统包括北京邮电大学提出的时分和码分-正交频分复用（time & code division-orthogonal frequency division multiplexing，TC-OFDM）系统和澳大利亚Locata公司提出的一种地基“非GPS定位系统”—LocataNet。广域覆盖全球或较大地区的网络，而局域覆盖较小范围的网络，因此局域定位技术也必不可少。它衍生出了多种定位方案，其主要代表有无线保真（wireless fidelity，Wi-Fi）、射频识别（radio frequency identification，RFID）、蓝牙（bluetooth，BT）和超宽带（ultra wide band，UWB）等，这些都承载到局域网中实现局部区域的覆盖。广域室内定位技术通常需要改造基站和手机芯片等设备，与局域室内定位技术相比，成本开销较大、时间周期较长，因此局域室内定位技术是目前室内商业化推广运作更好的选择。同时，现有的室内或室外主流定位系统都存在自身局限性，难以依靠单一定位技术实现不同位置服务场景下的定位需求。考虑各种定位技术优点的互补性，越来越多的混合无线定位技术应运而生，从而显著提升了系统整体的定位精度和鲁棒性。然而，合理分析不同场景下的定位需求，如何选择*优的组合定位方案，以实现所需环境下名副其实的无“缝”定位，是当前学者研究的热点和难点。
　　无论选择哪种定位技术解决特定场景的应用需求，还是联合多种定位技术实现大范围下基于位置的服务，定位系统都需要考虑定位过程中所涉及的定位误差因素，包括终端设备自身的缺陷、无线信号传播的复杂性等。通过合理分析不同定位系统的具体流程，包括信号的发射—传输—接收，以及系统施加者的影响，定位系统可以对获取的物理测量值进行有效的误差抑制，以及有针对性的误差模型构建。作为常用的室外定位系统，GNSS主要考虑三类误差源：与卫星有关的误差，与卫星信号传播有关的误差以及与接收设备有关的误差。然而对于复杂多变的室内环境，无线信号会经历更为严重的多径传输、非视距传输等，从而导致室内定位系统存在定位精度不高、稳定性差等问题。以基于Wi-Fi的室内定位系统为例，目前常用的物理测量信息为接收信号强度（received signal strength，RSS）和信道状态信息（channel state information，CSI）。参数信息的易获取性，使得基于RSS的室内定位技术成为*为广泛使用的技术之一。其中，RSS可以联合功率-距离公式以实现测距定位，同时也可以用作位置指纹来进行匹配定位。相比于RSS，CSI是一种更为细粒的信道特征，不仅能反映无线信号传播过程中的功率衰减情况，还能反映信道的多径特征，因此基于CSI的室内定位技术可实现更高的定位精度。通常，这些物理测量值是与环境中某特定位置具有局部相关性的信息量，其误差会直接导致定位性能恶化。某些误差量需要通过相应的数学模型来分析其影响情况，从而采取合适的方法进行误差补偿。例如，利用CSI的相位信息来进行到达角计算，或利用幅值信息来实现传播路径衰减模型估计。而对于基于位置指纹的定位技术，需要寻求获取信号特征与位置信息的“内在联系”。而当这种“内在联系”不明确时，系统就很难获取准确的位置信息。例如，由无线接入点（access point，AP）部署不佳导致位置指纹存在相似性，受多径或环境突变影响的指纹数据库存在时变性，或者人体对无线信号的阻挡等。
　　在互联网信息时代，获取位置信息成为其中必不可少的一环。想必大多数用户在安装移动应用软件时，都会犹豫是否同意“需要获取您的位置权限”。*为常见的有社交平台、支付软件和地图服务软件等。而物联网作为互联网在现实世界中的延伸，它需要更为丰富，更为“智慧”的位置信息来辅助相应的物联网应用，使得人们能够真正从感官上体验位置信息所带来的“智慧化”和“智能化”。当今的共享经济，如共享单车、共享充电桩等，依托庞大的移动物联网平台，利用人工智能算法对位置信息的大数据进行深入挖掘，为供需双方提供不同的经济红利。作为未来科技的“无人驾驶”技术，如果缺乏准确、可靠的位置信息，无人驾驶系统将失去感知和预测周围环境的能力，其行驶安全性将会受到威胁。因此，随着信息时代的发展，基于位置的服务已深入各行各业，也衍生出了多种多样的应用场景。这些都为不同无线定位技术带来全新的挑战和机遇。目前企业除了优化定位技术本身的缺陷，还需充分考虑未来新应用和新场景所遇到的各种问题，使得人们能够更为“智慧化”地生活与工作。本书重点关注基于Wi-Fi的无线定位技术以及它们在不同应用场景下的工程实际问题。在正式讨论该主题前，就现有的主要室内外定位技术进行简要介绍。
　　1.2 卫星定位
　　1.2.1 卫星定位概述
　　GNSS是一种利用一组全球卫星进行定位和导航的技术，由一组空间卫星、地面控制站和用户接收设备组成，如图1.1所示，可用于确定地