無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位(dngwi)技術(shù)共二十八頁無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ji din)的定位的概述無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位是一種移動定位技術(shù)。移動定位技術(shù)利用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過對接收到的無線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測量；根據(jù)特定的算法對某一移動終端或個人在某一時間所處的地理位置進(jìn)行精確測定；為移動終端用戶提供相關(guān)的位置(wi zhi)信息服務(wù)；或進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和跟蹤。共二十八頁定位技術(shù)現(xiàn)如今已有的定位技術(shù)大體上可以分為兩種室外定位技術(shù)和室內(nèi)定位技術(shù)。可以將室外定位技術(shù)進(jìn)行一定(ydng)的劃分:基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動終端的定位技術(shù)。室內(nèi)定位技術(shù)由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜，對技術(shù)的要求更加高。共二十八頁什么是節(jié)

2、點(diǎn)定位?節(jié)點(diǎn)定位在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中占有重要的地位，在事件觀測、目標(biāo)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等方面都是不可缺少的環(huán)節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩類一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標(biāo)的定位，如目標(biāo)跟蹤問題本章主要討論(toln)前者，即節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確地進(jìn)行自身定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中非常重要.共二十八頁信號(xnho)媒介伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,定位系統(tǒng)中使用的信號媒介日益豐富。要對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位進(jìn)行深入的研究，需要對系統(tǒng)中使用的信號媒介進(jìn)行了解。定位系統(tǒng)需要根據(jù)覆蓋范圍、精度、費(fèi)用、功耗等因素(yn s)選擇合適的信號媒介。共二十八頁信號(

3、xnho)媒介的種類:定位系統(tǒng)通常使用的信號媒介RF(Radio-Frequency)、紅外線、超聲波和光學(xué)等,其中RF細(xì)分為WLAN( Wireless Local Area Network)、RFID (Radio Frequency Identification)、藍(lán)牙和UWB( Ultra Wide Band).共二十八頁信號媒介(miji)的特點(diǎn):共二十八頁視線關(guān)系(LOS)和非視線關(guān)系(NLOS):LOS( line of sight)和NLOS( not line of sight)是指無線信號的視線傳輸和非視線傳輸LOS條件下，無線信號無遮擋地在發(fā)信端與接收端之間直線傳播，這要

4、求在第一菲涅爾區(qū)(First Fresnel zone)內(nèi)沒有對無線電波造成遮擋的物體，如果條件不滿足，信號強(qiáng)度就會明顯下降。NLOS 是指在有障礙物的情況下，無線信號只能(zh nn)通過反射，散射和衍射方式到達(dá)接收端。此時的無線信號通過多種途徑被接收，而多徑效應(yīng)會帶來時延不同步、信號衰減、極化改變、鏈路不穩(wěn)定等一系列問題。 共二十八頁節(jié)點(diǎn)的定位(dngwi)技術(shù)定位系統(tǒng)通常利用被測信號的TOA (Time of Arrival),TDOA (Time Difference of Arrival)和RSS (Received Signal Strength)測定發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收(jishu)節(jié)

5、點(diǎn)之間的距離；利用傳播信號的AOA (Angle of Arrival )確定發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的空間角度關(guān)系。共二十八頁TOA及TDOA:如下圖所示,已知A,B,C 3個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xa,ya), (xb,yb), (xc,yc)。它們到未知節(jié)點(diǎn)D(x,y)的距離為da,db,dc.對于TOA的d=ct, t為收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的傳播時間。 TDOA機(jī)制中,發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時發(fā)射兩種傳播速率不同的無線信號,接收(jishu)節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號到達(dá)的時間差和信號的傳播速率。d=(t1-t2) c1c2/(c1-c2).(xa-x)2-(ya-y)2=da2(xb-x)2-(yb-y)2=db2 (

6、xc-x)2-(yc-y)2=dc2 共二十八頁由上式可以得到未知節(jié)點(diǎn)(ji din)D( x, y)的具體坐標(biāo),結(jié)果如下:共二十八頁AOA:如下圖所示,已知A，B，C的坐標(biāo)為(xa, ya), (xb, yb), (xc, yc),未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為D( x, y)。對于節(jié)點(diǎn)A,C和弧ADC,它們可以唯一的確定一個圓.設(shè)圓心的坐標(biāo)為O1(xo1,xo1),半徑為r1, =AO1C=(2-2 ADC),其中 ADC通過方向性天線或陣列天線,獲取發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線信號的到達(dá)(dod)方向,計算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的相對方位或角度。共二十八頁它們滿足一下關(guān)系:(xo1-xa)2+(yo1-ya)2

7、=r12(xo1-xc)2+(yo1-yc)2=r12(xa-xc)2+(ya-yc)2=2r12-2r12cos 由上式可以確定圓心O1的坐標(biāo)和半徑(bnjng)r1。同理可以求出O2的坐標(biāo)，半徑r2， O的坐標(biāo)及半徑r。最后再利用上述TOA的方法，由O1， O和O坐標(biāo)確定D( x, y)的坐標(biāo)。共二十八頁RSS:RSS利用信號的衰減原理。信號在空中傳播時,信號強(qiáng)度隨著傳播距離的增加而規(guī)律性衰減。在基于RSS的定位系統(tǒng)中,已知發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號的強(qiáng)度(qingd)和理論或經(jīng)驗(yàn)的路徑損耗傳播模型計算距離,統(tǒng)計模型如下:P( d)=P0-10nplog(d/d0)P(

8、d)表示在距離d處的信號強(qiáng)度; np為路徑損耗因子; P0是在參考距離d0處的信號強(qiáng)度。共二十八頁RSS它不需要增加任何額外的硬件設(shè)備.但由于RF信號由于多徑和非視線傳播等造成的信號傳播模型的復(fù)雜性，所以受環(huán)境的影響很大;無法利用RSS來獲得節(jié)點(diǎn)間的準(zhǔn)確距離,因此算法精度(jn d)也就不是非常令人滿意.但是相對于其他技術(shù),在多徑環(huán)境下, RSS信息的獲取要容易很多.所以很多系統(tǒng)運(yùn)用RSS技術(shù)進(jìn)行定位,RADAR,LANDMARC等系統(tǒng).共二十八頁室內(nèi)(sh ni)定位系統(tǒng)分析所前所述，定位系統(tǒng)在采用技術(shù)上的差異對系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生(chnshng)重大的影響。不同系統(tǒng)旨在滿足不同的應(yīng)用背景和支

9、持不同的服務(wù)。普適環(huán)境下典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)信號媒介的差異,大致可以分為基于RF、紅外線、超聲波、RFID、視覺、UWB等類型。下面按類型對室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行分析。共二十八頁RF定位系統(tǒng):RADAR是基于(jy)RSS利用場景分析建立的定位系統(tǒng)。在研究中, RADAR技術(shù)使用了Empirical model (經(jīng)驗(yàn)主義模式)和 Signal propagation model (信號傳播模式)來對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為一個比較。共二十八頁Empirical model分為兩個階段,第一是離線階段(off-time),借由行動裝置先針對定位環(huán)境的訓(xùn)練點(diǎn)進(jìn)行信號強(qiáng)度測量,記錄目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置所對應(yīng)的3個基站的

10、信號信息,生成以位置為變量(binling)的信號信息函數(shù)。第二是實(shí)時階段(on-time),此階段采集3個基站的信號信息,根據(jù)信號信息函數(shù)界為求解位置。Signal propagation model僅僅(jnjn)對空間中的3個點(diǎn)進(jìn)行測試,其余則導(dǎo)入模式中的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行位置的判定；Empirical model得到的位置精確度很高,但這種方式消耗的時間和人工成本相當(dāng)大。共二十八頁RFID定位系統(tǒng):LANDMARC是由密歇根州立大學(xué)和香港科技大學(xué)合作開發(fā)的基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)引入了參考(cnko)標(biāo)簽的概念。參考標(biāo)簽被放置在固定的位置,讀卡器通過比較從目標(biāo)標(biāo)簽和參考標(biāo)簽獲取的信號

11、強(qiáng)度,來確定距離目標(biāo)標(biāo)簽最近的參考標(biāo)簽,然后賦予距離目標(biāo)標(biāo)簽最近的參考標(biāo)簽一個較高的權(quán)值,通過權(quán)值和參考標(biāo)簽的位置來確定目標(biāo)標(biāo)簽的位置.共二十八頁紅外線定位系統(tǒng):Active Badge是由Olivett實(shí)驗(yàn)室基于紅外線開發(fā)的附近定位系統(tǒng)。系統(tǒng)中的移動單元一個小型的輕量級紅外線發(fā)射器。它以固定的頻率廣播全球唯一標(biāo)識號,同時定位區(qū)域的固定位置放置紅外線接收機(jī),接收紅外信號攜帶的數(shù)據(jù),并通過有線網(wǎng)絡(luò)(wnglu)與中心服務(wù)器連接。當(dāng)接收機(jī)檢測到紅外信號時,系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)射器處于接收機(jī)覆蓋區(qū)域之內(nèi),利用接收機(jī)的位置確定發(fā)射器的方位信息.共二十八頁超聲波定位系統(tǒng):Active Bat是由AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā)

12、的超聲波定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有4部分:發(fā)射器、接收器、控制器和中心節(jié)點(diǎn)。Active Bat標(biāo)簽響應(yīng)查詢命令,向接收器陣列發(fā)送一個超聲波脈沖,同時控制器向所有的接收器發(fā)送一個同步復(fù)位信號。每個接收器測量從復(fù)位到接收超聲波脈沖的時間間隔,然后將這些(zhxi)數(shù)據(jù)交給中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的定位計算。共二十八頁視覺定位系統(tǒng):EasyLiving是由Microsoft視覺技術(shù)研究小組利用機(jī)器視覺開發(fā)的定位系統(tǒng)。EasyLiving系統(tǒng)利用兩個彩色三維相機(jī)定位,并識別室內(nèi)環(huán)境下多用戶的狀態(tài)。雖然EasyLiving通過三維相機(jī)可以同時識別多個用戶,但這需要龐大的計算(j sun)量,要求系統(tǒng)具有非常強(qiáng)大的

13、計算能力。另外,因?yàn)樾枰獙Ｓ迷O(shè)備,系統(tǒng)的費(fèi)用比較高。共二十八頁UWB定位系統(tǒng):Ubisense是劍橋大學(xué)基于UWB開發(fā)的精確實(shí)時定位系統(tǒng)。Ubisense系統(tǒng)(xtng)發(fā)揮了UWB無線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高精度定位。因?yàn)閁WB信號具有較強(qiáng)的穿透能力,所以它克服了視線關(guān)系約束,適用于復(fù)雜環(huán)境下的大范圍部署。Ubisense定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時定位,它的系統(tǒng)響應(yīng)時間為毫秒級。共二十八頁室內(nèi)(sh ni)定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)1.定位系統(tǒng)的無負(fù)擔(dān)性已有的室內(nèi)(sh ni)定位系統(tǒng)往往需要用戶攜帶相關(guān)輔助設(shè)備。例如在Active Badge系統(tǒng)中,用戶需要佩戴一個紅外的badge;在Active Bat

14、系統(tǒng)中,用戶需要隨身攜帶一個Bat設(shè)備。這些輔助設(shè)備增加了用戶的負(fù)擔(dān),因?yàn)橛脩粜枰ＷC隨身攜帶這些設(shè)備,甚至對輔助設(shè)備進(jìn)行操作.而所要求的無負(fù)擔(dān)性, 本質(zhì)指是設(shè)備自身對于用戶而言是不可見的。不可見性要求設(shè)備微型化、功能單一化并嵌入到物理實(shí)體中。共二十八頁定位系統(tǒng)的擴(kuò)展性和易部署(b sh)性:可擴(kuò)展性是指新的節(jié)點(diǎn)可以方便地接入現(xiàn)存系統(tǒng),獲取相關(guān)的服務(wù)。系統(tǒng)只有在具有良好的擴(kuò)展性前提下才能夠?qū)崿F(xiàn)易部署的目標(biāo)。RADAR系統(tǒng)建立Radio Map是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。如果在系統(tǒng)中加入新的基站節(jié)點(diǎn),則需要重新構(gòu)造Radio Map,這極大的限制了系統(tǒng)的課擴(kuò)展性。共二十八頁定位系統(tǒng)的健壯性:健壯性是指系統(tǒng)

15、(xtng)在局部發(fā)生故障或失效的情況下,仍然能夠提供適當(dāng)服務(wù)的能力?，F(xiàn)在的定位系統(tǒng)無法在物理設(shè)備失效或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況下保證系統(tǒng)的健壯性。例如LANDMARC系統(tǒng)引入了參考節(jié)點(diǎn),如果參考節(jié)點(diǎn)失效,則整個定位系統(tǒng)就無法正常工作。另外,室內(nèi)定位系統(tǒng)的健壯性在緊急情況下非常重要。共二十八頁定位系統(tǒng)的響應(yīng)時間:響應(yīng)時間是指在給定輸入信號下定位系統(tǒng)輸出位置信息的時間。系統(tǒng)的響應(yīng)時間在定位移動目標(biāo)時有非常重要的作用。如果定位系統(tǒng)的響應(yīng)時間較長,則無法判斷短暫的狀態(tài)變化。顯然,在需要(xyo)對多個移動目標(biāo)定位的場景中,定位系統(tǒng)的響應(yīng)時間是衡量系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)之一。這些場景對于系統(tǒng)響應(yīng)時間的要求通常是毫秒級。人體日常行為的變化頻率為20Hz,但當(dāng)前定位系統(tǒng)還不能滿足實(shí)時性的要求.共二十八頁內(nèi)容摘要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ji din)的定位的概述。要對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ji din)的定位進(jìn)