無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

1、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位的概述無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位的概述 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位是一種移動定位無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位是一種移動定位技術(shù)。技術(shù)。 移動移動定位定位技術(shù)技術(shù)利用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)進行行測量；測量；根據(jù)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行精確置進行精確測定；測定；為為移動終端用戶提供相關(guān)的位置信息移動終端用戶提供相關(guān)的位置信息服務(wù)；服務(wù)；或或進行實時的監(jiān)測和跟蹤進行實時的監(jiān)測和跟蹤。定位技術(shù)定位技術(shù) 現(xiàn)如今已有的定位技術(shù)大體上可以分為現(xiàn)

2、如今已有的定位技術(shù)大體上可以分為兩種兩種 室外室外定位技術(shù)和室內(nèi)定位定位技術(shù)和室內(nèi)定位技術(shù)技術(shù)。 可以將室外定位技術(shù)進行一定的劃分可以將室外定位技術(shù)進行一定的劃分: : 基于基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動終端的定位移動網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動終端的定位技術(shù)技術(shù)。 室內(nèi)定位技術(shù)由于室內(nèi)環(huán)境的復雜，對技術(shù)的要求更加室內(nèi)定位技術(shù)由于室內(nèi)環(huán)境的復雜，對技術(shù)的要求更加高。高。什么是節(jié)點定位什么是節(jié)點定位? ? 節(jié)點定位在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中占有重要的地位，在事節(jié)點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、目標跟蹤、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等方面都是不可缺少的件觀測、目標跟蹤、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等方面都是不可缺少的環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)

3、。 無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩類類 一類一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點的定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點的定位， 另另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標的定位，如目標跟蹤問一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標的定位，如目標跟蹤問題題 本章主要本章主要討論前者，即節(jié)點自定位討論前者，即節(jié)點自定位技術(shù)技術(shù) 節(jié)點準確地進行自身定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中非常重節(jié)點準確地進行自身定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中非常重要要. .信號媒介信號媒介 伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展, ,定位系統(tǒng)中使用的信號媒定位系統(tǒng)中使用的信號媒介日益介日益豐富。豐富。 要

4、要對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位進行深入的研究，需要對系對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位進行深入的研究，需要對系統(tǒng)中使用的信號媒介進行統(tǒng)中使用的信號媒介進行了解。了解。 定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)需要根據(jù)覆蓋范圍、精度、費用、功耗等因需要根據(jù)覆蓋范圍、精度、費用、功耗等因素選擇合適的信號媒介。素選擇合適的信號媒介。信號媒介的種類信號媒介的種類: : 定位系統(tǒng)通常使用的信號定位系統(tǒng)通常使用的信號媒介媒介 RF(Radio-FrequencyRF(Radio-Frequency) )、紅外線、超聲波和光學等、紅外線、超聲波和光學等, ,其中其中RFRF細細分為分為WLAN( Wireless Local Area Network

5、)WLAN( Wireless Local Area Network)、RFID (Radio RFID (Radio Frequency Identification)Frequency Identification)、藍牙和、藍牙和UWB( Ultra Wide UWB( Ultra Wide Band).Band).信號媒介的特點信號媒介的特點: :視線關(guān)系視線關(guān)系(LOS)(LOS)和非視線關(guān)系和非視線關(guān)系(NLOS):(NLOS): LOS( line of sight)LOS( line of sight)和和NLOS( not line of sight)NLOS( not li

6、ne of sight)是是指無線信號的視線傳輸和非視線指無線信號的視線傳輸和非視線傳輸傳輸 LOSLOS條件下，無線信號無遮擋地在發(fā)信端與接收端之間條件下，無線信號無遮擋地在發(fā)信端與接收端之間直線直線傳播，這要求在第一菲涅爾區(qū)傳播，這要求在第一菲涅爾區(qū)(First Fresnel zone)(First Fresnel zone)內(nèi)沒內(nèi)沒有對無線電波造成遮擋的物體，如果條件不滿足，信號強度有對無線電波造成遮擋的物體，如果條件不滿足，信號強度就會明顯下降。就會明顯下降。 NLOS NLOS 是指在有障礙物的情況下，無線信號只能通過反射，散是指在有障礙物的情況下，無線信號只能通過反射，散射和衍射

7、方式到達接收端。此時的無線信號通過多種途徑被射和衍射方式到達接收端。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。、鏈路不穩(wěn)定等一系列問題。 節(jié)點的定位技術(shù)節(jié)點的定位技術(shù)定位系統(tǒng)定位系統(tǒng) 通常通常利用被測信號的利用被測信號的TOA (Time of Arrival),TDOA (Time TOA (Time of Arrival),TDOA (Time Difference of Arrival)Difference of Arrival)和和RSS (Received Signal

8、 RSS (Received Signal Strength)Strength)測定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的測定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離；距離； 利用利用傳播信號的傳播信號的AOA (Angle of Arrival )AOA (Angle of Arrival )確定發(fā)送節(jié)點和確定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的空間角度關(guān)系。接收節(jié)點之間的空間角度關(guān)系。TOATOA及及TDOA:TDOA:如下圖所示如下圖所示, ,已知已知A,B,C 3A,B,C 3個節(jié)點的坐標分別為個節(jié)點的坐標分別為( (xa,yaxa,ya), ), ( (xb,ybxb,yb), (), (xc,ycxc,yc) )。它們

9、。它們到未知節(jié)點到未知節(jié)點D(D(x,yx,y) )的距離為的距離為da,db,dcda,db,dc. .對于對于TOATOA的的d=d=ctct, t, t為收發(fā)節(jié)點之間的傳播為收發(fā)節(jié)點之間的傳播時間。時間。 TDOATDOA機制中機制中, ,發(fā)發(fā)送節(jié)點同時發(fā)射兩種傳播速率不同的無線信號送節(jié)點同時發(fā)射兩種傳播速率不同的無線信號, ,接收節(jié)點根據(jù)兩接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差和信號的傳播種信號到達的時間差和信號的傳播速率。速率。d d=(t1-t2) =(t1-t2) c1c2/(c1-c2).c1c2/(c1-c2).( (xaxa-x)2-(-x)2-(yaya-y)2=da2-y)2

10、=da2( (xbxb-x)2-(-x)2-(ybyb-y)2=db2 -y)2=db2 (xc-x)2-(xc-x)2-(ycyc-y)2=dc2 -y)2=dc2 由上式可以得到未知節(jié)點由上式可以得到未知節(jié)點D( x, y)D( x, y)的具體坐標的具體坐標, ,結(jié)果如下結(jié)果如下: :2222222222221)( 2)( 2)( 2)( 2dbdcycybxcxbdadcycyaxcxaycybycyaxcxbxcxayxAOA:AOA:如下圖所示如下圖所示, ,已知已知A A，B B，C C的的坐標為坐標為( (xaxa, , yaya), ), ( (xbxb, , ybyb),

11、), (xc(xc, , ycyc),),未知節(jié)點的坐標為未知節(jié)點的坐標為D( x, yD( x, y) )。對于。對于節(jié)點節(jié)點A,CA,C和弧和弧ADC,ADC,它們它們可以唯一的確定一個圓可以唯一的確定一個圓. .設(shè)圓心的坐標為設(shè)圓心的坐標為O1(xo1,xo1),O1(xo1,xo1),半徑為半徑為r1, =AO1C=(r1, =AO1C=(2-2 2-2 ADC),ADC),其中其中 ADCADC通過方向性天線或通過方向性天線或陣列天線陣列天線, ,獲取發(fā)送節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達方向獲取發(fā)送節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達方向, ,計算接收計算接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點之間的相對方位或節(jié)點和發(fā)送節(jié)點

12、之間的相對方位或角度。角度。 它們滿足一下關(guān)系它們滿足一下關(guān)系: : (xo1-xa)2+(yo1-ya)2=r12(xo1-xa)2+(yo1-ya)2=r12 (xo1-xc)2+(yo1-yc)2=r12(xo1-xc)2+(yo1-yc)2=r12 ( (xaxa-xc)2+(-xc)2+(ya-ycya-yc)2=2r12-2r12cos )2=2r12-2r12cos 由上式可以確定圓心由上式可以確定圓心O O1 1的坐標和半徑的坐標和半徑r1r1。同理可以求出。同理可以求出O O2 2的的坐標，半徑坐標，半徑r r2 2， O O的坐標及的坐標及半徑半徑r r。最后。最后再利用上

13、述再利用上述TOATOA的的方法，由方法，由O O1 1， O O和和 O O坐標確定坐標確定D( x, y)D( x, y)的的坐標。坐標。RSS:RSS: RSSRSS利用信號的衰減利用信號的衰減原理原理。信號。信號在空中傳播時在空中傳播時, ,信號強信號強度隨著傳播距離的增加而規(guī)律性衰減。在基于度隨著傳播距離的增加而規(guī)律性衰減。在基于RSSRSS的定的定位系統(tǒng)中位系統(tǒng)中, ,已知發(fā)送節(jié)點的發(fā)射信號強度已知發(fā)送節(jié)點的發(fā)射信號強度, ,接收節(jié)點根接收節(jié)點根據(jù)接收信號的強度和理論或經(jīng)驗的路徑損耗傳播模型據(jù)接收信號的強度和理論或經(jīng)驗的路徑損耗傳播模型計算距離計算距離, ,統(tǒng)計模型如下統(tǒng)計模型如下

14、: : P( d)=P0-10nplog(d/d0)P( d)=P0-10nplog(d/d0) P( d)P( d)表示在距離表示在距離d d處的信號強度處的信號強度; ; npnp為路徑損耗因子為路徑損耗因子; ; P0P0是在參考距離是在參考距離d0d0處的信號強度。處的信號強度。 RSSRSS它不需要增加任何額外的硬件設(shè)備它不需要增加任何額外的硬件設(shè)備. .但由于但由于RFRF信號信號由于多徑和非視線傳播等造成的信號傳播模型的復雜由于多徑和非視線傳播等造成的信號傳播模型的復雜性，所以受環(huán)境的影響很大性，所以受環(huán)境的影響很大; ;無法利用無法利用RSSRSS來獲得節(jié)點來獲得節(jié)點間的準確距

15、離間的準確距離, ,因此算法精度也就不是非常令人滿意因此算法精度也就不是非常令人滿意. .但是相對于其他技術(shù)但是相對于其他技術(shù), ,在多徑環(huán)境下在多徑環(huán)境下, RSS, RSS信息的獲取信息的獲取要容易很多要容易很多. .所以很多系統(tǒng)運用所以很多系統(tǒng)運用RSSRSS技術(shù)進行定位技術(shù)進行定位,RADAR,LANDMARC,RADAR,LANDMARC等系統(tǒng)等系統(tǒng). .室內(nèi)定位系統(tǒng)分析室內(nèi)定位系統(tǒng)分析 所前所述，定位系統(tǒng)所前所述，定位系統(tǒng)在采用技術(shù)上的差異對系統(tǒng)的性在采用技術(shù)上的差異對系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生重大的能將產(chǎn)生重大的影響。不同影響。不同系統(tǒng)旨在滿足不同的應(yīng)用系統(tǒng)旨在滿足不同的應(yīng)用背景和支持不同

16、的服務(wù)。普適環(huán)境下典型的室內(nèi)定位背景和支持不同的服務(wù)。普適環(huán)境下典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)信號媒介的差異系統(tǒng)根據(jù)信號媒介的差異, ,大致可以分為基于大致可以分為基于RFRF、紅外、紅外線、超聲波、線、超聲波、RFIDRFID、視覺、視覺、UWBUWB等類型等類型。 下面下面按類型對室內(nèi)定位系統(tǒng)進行分析。按類型對室內(nèi)定位系統(tǒng)進行分析。RFRF定位系統(tǒng)定位系統(tǒng): : RADARRADAR是基于是基于RSSRSS利用場景分析建立的定位系統(tǒng)。在研利用場景分析建立的定位系統(tǒng)。在研究中究中, RADAR, RADAR技術(shù)使用了技術(shù)使用了Empirical model (Empirical model (經(jīng)驗主

17、義經(jīng)驗主義模式模式) )和和 Signal propagation model (Signal propagation model (信號傳播模式信號傳播模式) )來對實驗結(jié)果作為一個來對實驗結(jié)果作為一個比較。比較。Empirical modelEmpirical model分為兩個階段分為兩個階段, ,第一是離線階段第一是離線階段(off-time),(off-time),借借由行由行動動裝置先針對定位環(huán)境的裝置先針對定位環(huán)境的訓練訓練點進行點進行信號強度測量信號強度測量, ,記錄記錄目標目標節(jié)點的位置節(jié)點的位置所對應(yīng)的所對應(yīng)的3 3個基個基站的站的信號信息信號信息, ,生成以生成以位置為位

18、置為變量的變量的信號信號信息函數(shù)。信息函數(shù)。第二第二是實時是實時階段階段(on-time),(on-time),此階段采此階段采集集3 3個基個基站的站的信號信息信號信息, ,根據(jù)信號信息根據(jù)信號信息函數(shù)函數(shù)界為界為求解求解位置。位置。Signal propagation modelSignal propagation model僅僅對空間中的僅僅對空間中的3 3個點進行測試個點進行測試, ,其余其余則導入模式中的數(shù)學函數(shù)進行位置的則導入模式中的數(shù)學函數(shù)進行位置的判定；判定；Empirical modelEmpirical model得到的位置精確度很得到的位置精確度很高高, ,但這種方式消耗

19、的時間和人工成本但這種方式消耗的時間和人工成本相當大。相當大。RFIDRFID定位系統(tǒng)定位系統(tǒng): : LANDMARCLANDMARC是由密歇根州立大學和香港科技大學合作開是由密歇根州立大學和香港科技大學合作開發(fā)的基于發(fā)的基于RFIDRFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。 系統(tǒng)系統(tǒng)引入了參考標簽的概念引入了參考標簽的概念。 參考參考標簽被放置在固定的位置標簽被放置在固定的位置, ,讀卡器通過比較從目標讀卡器通過比較從目標標簽和參考標簽獲取的信號強度標簽和參考標簽獲取的信號強度, ,來確定距離目標標簽來確定距離目標標簽最近的參考標簽最近的參考標簽, ,然后賦予距離目標標簽最近的參考標然后賦予距離

20、目標標簽最近的參考標簽一個較高的權(quán)值簽一個較高的權(quán)值, ,通過權(quán)值和參考標簽的位置來確定通過權(quán)值和參考標簽的位置來確定目標標簽的位置目標標簽的位置. .紅外線定位系統(tǒng)紅外線定位系統(tǒng): : Active BadgeActive Badge是由是由OlivettOlivett實驗室基于紅外線開發(fā)的附實驗室基于紅外線開發(fā)的附近定位系統(tǒng)。近定位系統(tǒng)。系系 統(tǒng)統(tǒng)中的移動單元一個小型的輕量級紅外線發(fā)射器中的移動單元一個小型的輕量級紅外線發(fā)射器。 它它以固定的頻率廣播全球唯一標識號以固定的頻率廣播全球唯一標識號, ,同時定位區(qū)域的同時定位區(qū)域的固定位置放置紅外線接收機固定位置放置紅外線接收機, ,接收紅外信

21、號攜帶的數(shù)據(jù)接收紅外信號攜帶的數(shù)據(jù), ,并通過有線網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器連接并通過有線網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器連接。 當當接收機檢測到紅外信號時接收機檢測到紅外信號時, ,系統(tǒng)認為發(fā)射器處于接收系統(tǒng)認為發(fā)射器處于接收機覆蓋區(qū)域之內(nèi)機覆蓋區(qū)域之內(nèi), ,利用接收機的位置確定發(fā)射器的方位利用接收機的位置確定發(fā)射器的方位信息信息. .超聲波定位系統(tǒng)超聲波定位系統(tǒng): : Active BatActive Bat是由是由AT&TAT&T實驗室開發(fā)的超聲波定位系統(tǒng)。實驗室開發(fā)的超聲波定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有該系統(tǒng)主要有4 4部分部分: :發(fā)射器、接收器、控制器和中心發(fā)射器、接收器、控制器和中心節(jié)點。節(jié)點。

22、Active Active BatBat標簽響應(yīng)查詢命令標簽響應(yīng)查詢命令, ,向接收器陣列發(fā)送一個向接收器陣列發(fā)送一個超聲波脈沖超聲波脈沖, ,同時控制器向所有的接收器發(fā)送一個同步同時控制器向所有的接收器發(fā)送一個同步復位信號復位信號。 每個每個接收器測量從復位到接收超聲波脈沖的時間間隔接收器測量從復位到接收超聲波脈沖的時間間隔, ,然后將這些數(shù)據(jù)交給中心節(jié)點進行相關(guān)的定位然后將這些數(shù)據(jù)交給中心節(jié)點進行相關(guān)的定位計算。計算。視覺定位系統(tǒng)視覺定位系統(tǒng): : EasyLivingEasyLiving是由是由MicrosoftMicrosoft視覺技術(shù)研究小組利用機器視覺技術(shù)研究小組利用機器視覺開發(fā)的

23、定位系統(tǒng)視覺開發(fā)的定位系統(tǒng)。 EasyLivingEasyLiving系統(tǒng)利用兩個彩色三維相機定位系統(tǒng)利用兩個彩色三維相機定位, ,并識別室并識別室內(nèi)環(huán)境下多用戶的狀態(tài)內(nèi)環(huán)境下多用戶的狀態(tài)。 雖然雖然EasyLivingEasyLiving通過三維相機可以同時識別多個用戶通過三維相機可以同時識別多個用戶, ,但這需要龐大的計算量但這需要龐大的計算量, ,要求系統(tǒng)具有非常強大的計算要求系統(tǒng)具有非常強大的計算能力能力。 另外另外, ,因為需要專用設(shè)備因為需要專用設(shè)備, ,系統(tǒng)的費用比較高。系統(tǒng)的費用比較高。UWBUWB定位系統(tǒng)定位系統(tǒng): : UbisenseUbisense是劍橋大學基于是劍橋大學

24、基于UWBUWB開發(fā)的精確實時定位系統(tǒng)開發(fā)的精確實時定位系統(tǒng)。 UbisenseUbisense系統(tǒng)發(fā)揮了系統(tǒng)發(fā)揮了UWBUWB無線技術(shù)的優(yōu)點無線技術(shù)的優(yōu)點, ,可以實現(xiàn)高精可以實現(xiàn)高精度定位度定位。 因為因為UWBUWB信號具有較強的穿透能力信號具有較強的穿透能力, ,所以它克服了視線關(guān)所以它克服了視線關(guān)系約束系約束, ,適用于復雜環(huán)境下的大范圍部署適用于復雜環(huán)境下的大范圍部署。 UbisenseUbisense定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時定位定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時定位, ,它的系統(tǒng)響應(yīng)時間它的系統(tǒng)響應(yīng)時間為毫秒級。為毫秒級。室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)1.1.定位系統(tǒng)的無負擔性定位系

25、統(tǒng)的無負擔性 已有的室內(nèi)定位系統(tǒng)往往需要用戶攜帶相關(guān)輔助已有的室內(nèi)定位系統(tǒng)往往需要用戶攜帶相關(guān)輔助設(shè)備。設(shè)備。例如例如在在Active BadgeActive Badge系統(tǒng)中系統(tǒng)中, ,用戶需要佩戴一個紅外的用戶需要佩戴一個紅外的badge;badge;在在Active BatActive Bat系統(tǒng)中系統(tǒng)中, ,用戶需要隨身攜帶一個用戶需要隨身攜帶一個BatBat設(shè)備。設(shè)備。 這些這些輔助設(shè)備增加了用戶的負擔輔助設(shè)備增加了用戶的負擔, ,因為用戶需要保證隨身因為用戶需要保證隨身攜帶這些設(shè)備攜帶這些設(shè)備, ,甚至對輔助設(shè)備進行操作甚至對輔助設(shè)備進行操作. . 而所而所要求的無負擔性要求的無負擔性, , 本質(zhì)指是設(shè)備自身對于用戶而言本質(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體中。嵌入到物理實體中。定位系統(tǒng)的擴展性和易部署性定位系統(tǒng)的擴展性和易部署性: : 可擴展性是指新的節(jié)點可以方便地接入現(xiàn)存系統(tǒng)可擴展性是指新的節(jié)點可以方便地接入現(xiàn)存系統(tǒng), ,獲取相獲取相關(guān)的服務(wù)。系統(tǒng)只有在具有良好的擴展性前提下才能夠?qū)嶊P(guān)的服務(wù)。系統(tǒng)只有在具有良好的擴展性前提下才能夠?qū)崿F(xiàn)易