无线传感器网络的定位技术

1、无线网络节点的定位的概述无线网络节点的定位的概述 无线网络节点的定位是一种移动定位无线网络节点的定位是一种移动定位技术。技术。 移动移动定位定位技术技术利用利用无线移动通信网络，通过对接收到的无线电波的一些参数进无线移动通信网络，通过对接收到的无线电波的一些参数进行行测量；测量；根据根据特定的算法对某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位特定的算法对某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位置进行精确置进行精确测定；测定；为为移动终端用户提供相关的位置信息移动终端用户提供相关的位置信息服务；服务；或或进行实时的监测和跟踪进行实时的监测和跟踪。定位技术定位技术 现如今已有的定位技术大体上可以分为现

2、如今已有的定位技术大体上可以分为两种两种 室外室外定位技术和室内定位定位技术和室内定位技术技术。 可以将室外定位技术进行一定的划分可以将室外定位技术进行一定的划分: : 基于基于移动网络的定位技术和基于移动终端的定位移动网络的定位技术和基于移动终端的定位技术技术。 室内定位技术由于室内环境的复杂，对技术的要求更加室内定位技术由于室内环境的复杂，对技术的要求更加高。高。什么是节点定位什么是节点定位? ? 节点定位在整个传感器网络中占有重要的地位，在事节点定位在整个传感器网络中占有重要的地位，在事件观测、目标跟踪、网络重构等方面都是不可缺少的件观测、目标跟踪、网络重构等方面都是不可缺少的环节。环节

3、。 无线无线传感器网络的定位问题可分为两传感器网络的定位问题可分为两类类 一类一类是无线传感器网络对自身传感器节点的定位是无线传感器网络对自身传感器节点的定位， 另另一类是无线传感器网络对外部目标的定位，如目标跟踪问一类是无线传感器网络对外部目标的定位，如目标跟踪问题题 本章主要本章主要讨论前者，即节点自定位讨论前者，即节点自定位技术技术 节点准确地进行自身定位在无线传感器网络的应用中非常重节点准确地进行自身定位在无线传感器网络的应用中非常重要要. .信号媒介信号媒介 伴随着无线通信技术的发展伴随着无线通信技术的发展, ,定位系统中使用的信号媒定位系统中使用的信号媒介日益介日益丰富。丰富。 要

4、要对无线网络节点的定位进行深入的研究，需要对系对无线网络节点的定位进行深入的研究，需要对系统中使用的信号媒介进行统中使用的信号媒介进行了解。了解。 定位系统定位系统需要根据覆盖范围、精度、费用、功耗等因需要根据覆盖范围、精度、费用、功耗等因素选择合适的信号媒介。素选择合适的信号媒介。信号媒介的种类信号媒介的种类: : 定位系统通常使用的信号定位系统通常使用的信号媒介媒介 RF(Radio-FrequencyRF(Radio-Frequency) )、红外线、超声波和光学等、红外线、超声波和光学等, ,其中其中RFRF细细分为分为WLAN( Wireless Local Area Network

5、)WLAN( Wireless Local Area Network)、RFID (Radio RFID (Radio Frequency Identification)Frequency Identification)、蓝牙和、蓝牙和UWB( Ultra Wide UWB( Ultra Wide Band).Band).信号媒介的特点信号媒介的特点: :视线关系视线关系(LOS)(LOS)和非视线关系和非视线关系(NLOS):(NLOS): LOS( line of sight)LOS( line of sight)和和NLOS( not line of sight)NLOS( not li

6、ne of sight)是是指无线信号的视线传输和非视线指无线信号的视线传输和非视线传输传输 LOSLOS条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间直线直线传播，这要求在第一菲涅尔区传播，这要求在第一菲涅尔区(First Fresnel zone)(First Fresnel zone)内没内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度就会明显下降。就会明显下降。 NLOS NLOS 是指在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射，散是指在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射，散射和衍射

7、方式到达接收端。此时的无线信号通过多种途径被射和衍射方式到达接收端。此时的无线信号通过多种途径被接收，而多径效应会带来时延不同步、信号衰减、极化改变接收，而多径效应会带来时延不同步、信号衰减、极化改变、链路不稳定等一系列问题。、链路不稳定等一系列问题。 节点的定位技术节点的定位技术定位系统定位系统 通常通常利用被测信号的利用被测信号的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)测定发送节点和接收节点之间的测定发送节点和接收节点之间的距离；距离； 利用利用传播信号的传播信号的AOA (Angle of Arrival )AOA (Angle of Arrival )确定发送节点和确定发送节点和接收节点之间的空间角度关系。接收节点之间的空间角度关系。TOATOA及及TDOA:TDOA:如下图所示如下图所示, ,已知已知A,B,C 3A,B,C 3个节点的坐标分别为个节点的坐标分别为( (xa,yaxa,ya), ), ( (xb,ybxb,yb), (), (xc,ycxc,yc) )。它们

9、。它们到未知节点到未知节点D(D(x,yx,y) )的距离为的距离为da,db,dcda,db,dc. .对于对于TOATOA的的d=d=ctct, t, t为收发节点之间的传播为收发节点之间的传播时间。时间。 TDOATDOA机制中机制中, ,发发送节点同时发射两种传播速率不同的无线信号送节点同时发射两种传播速率不同的无线信号, ,接收节点根据两接收节点根据两种信号到达的时间差和信号的传播种信号到达的时间差和信号的传播速率。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节点由上式可以得到未知节点D( x, y)D( x, y)的具体坐标的具体坐标, ,结果如下结果如下: :2222222222221)( 2)( 2)( 2)( 2dbdcycybxcxbdadcycyaxcxaycybycyaxcxbxcxayxAOA:AOA:如下图所示如下图所示, ,已知已知A A，B B，C C的的坐标为坐标为( (xaxa, , yaya), ), ( (xbxb, , ybyb),

11、), (xc(xc, , ycyc),),未知节点的坐标为未知节点的坐标为D( x, yD( x, y) )。对于。对于节点节点A,CA,C和弧和弧ADC,ADC,它们它们可以唯一的确定一个圆可以唯一的确定一个圆. .设圆心的坐标为设圆心的坐标为O1(xo1,xo1),O1(xo1,xo1),半径为半径为r1, =AO1C=(r1, =AO1C=(2-2 2-2 ADC),ADC),其中其中 ADCADC通过方向性天线或通过方向性天线或阵列天线阵列天线, ,获取发送节点发射的无线信号的到达方向获取发送节点发射的无线信号的到达方向, ,计算接收计算接收节点和发送节点之间的相对方位或节点和发送节点

12、之间的相对方位或角度。角度。 它们满足一下关系它们满足一下关系: : (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 由上式可以确定圆心由上式可以确定圆心O O1 1的坐标和半径的坐标和半径r1r1。同理可以求出。同理可以求出O O2 2的的坐标，半径坐标，半径r r2 2， O O的坐标及的坐标及半径半径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坐标确定坐标确定D( x, y)D( x, y)的的坐标。坐标。RSS:RSS: RSSRSS利用信号的衰减利用信号的衰减原理原理。信号。信号在空中传播时在空中传播时, ,信号强信号强度随着传播距离的增加而规律性衰减。在基于度随着传播距离的增加而规律性衰减。在基于RSSRSS的定的定位系统中位系统中, ,已知发送节点的发射信号强度已知发送节点的发射信号强度, ,接收节点根接收节点根据接收信号的强度和理论或经验的路径损耗传播模型据接收信号的强度和理论或经验的路径损耗传播模型计算距离计算距离, ,统计模型如下统计模型如下

14、: : P( d)=P0-10nplog(d/d0)P( d)=P0-10nplog(d/d0) P( d)P( d)表示在距离表示在距离d d处的信号强度处的信号强度; ; npnp为路径损耗因子为路径损耗因子; ; P0P0是在参考距离是在参考距离d0d0处的信号强度。处的信号强度。 RSSRSS它不需要增加任何额外的硬件设备它不需要增加任何额外的硬件设备. .但由于但由于RFRF信号信号由于多径和非视线传播等造成的信号传播模型的复杂由于多径和非视线传播等造成的信号传播模型的复杂性，所以受环境的影响很大性，所以受环境的影响很大; ;无法利用无法利用RSSRSS来获得节点来获得节点间的准确距

15、离间的准确距离, ,因此算法精度也就不是非常令人满意因此算法精度也就不是非常令人满意. .但是相对于其他技术但是相对于其他技术, ,在多径环境下在多径环境下, RSS, RSS信息的获取信息的获取要容易很多要容易很多. .所以很多系统运用所以很多系统运用RSSRSS技术进行定位技术进行定位,RADAR,LANDMARC,RADAR,LANDMARC等系统等系统. .室内定位系统分析室内定位系统分析 所前所述，定位系统所前所述，定位系统在采用技术上的差异对系统的性在采用技术上的差异对系统的性能将产生重大的能将产生重大的影响。不同影响。不同系统旨在满足不同的应用系统旨在满足不同的应用背景和支持不同

16、的服务。普适环境下典型的室内定位背景和支持不同的服务。普适环境下典型的室内定位系统根据信号媒介的差异系统根据信号媒介的差异, ,大致可以分为基于大致可以分为基于RFRF、红外、红外线、超声波、线、超声波、RFIDRFID、视觉、视觉、UWBUWB等类型等类型。 下面下面按类型对室内定位系统进行分析。按类型对室内定位系统进行分析。RFRF定位系统定位系统: : RADARRADAR是基于是基于RSSRSS利用场景分析建立的定位系统。在研利用场景分析建立的定位系统。在研究中究中, RADAR, RADAR技术使用了技术使用了Empirical model (Empirical model (经验主

17、义经验主义模式模式) )和和 Signal propagation model (Signal propagation model (信号传播模式信号传播模式) )来对实验结果作为一个来对实验结果作为一个比较。比较。Empirical modelEmpirical model分为两个阶段分为两个阶段, ,第一是离线阶段第一是离线阶段(off-time),(off-time),借借由行由行动动装置先针对定位环境的装置先针对定位环境的训练训练点进行点进行信号强度测量信号强度测量, ,记录记录目标目标节点的位置节点的位置所对应的所对应的3 3个基个基站的站的信号信息信号信息, ,生成以生成以位置为位

18、置为变量的变量的信号信号信息函数。信息函数。第二第二是实时是实时阶段阶段(on-time),(on-time),此阶段采此阶段采集集3 3个基个基站的站的信号信息信号信息, ,根据信号信息根据信号信息函数函数界为界为求解求解位置。位置。Signal propagation modelSignal propagation model仅仅对空间中的仅仅对空间中的3 3个点进行测试个点进行测试, ,其余其余则导入模式中的数学函数进行位置的则导入模式中的数学函数进行位置的判定；判定；Empirical modelEmpirical model得到的位置精确度很得到的位置精确度很高高, ,但这种方式消耗

19、的时间和人工成本但这种方式消耗的时间和人工成本相当大。相当大。RFIDRFID定位系统定位系统: : LANDMARCLANDMARC是由密歇根州立大学和香港科技大学合作开是由密歇根州立大学和香港科技大学合作开发的基于发的基于RFIDRFID的室内定位系统的室内定位系统。 系统系统引入了参考标签的概念引入了参考标签的概念。 参考参考标签被放置在固定的位置标签被放置在固定的位置, ,读卡器通过比较从目标读卡器通过比较从目标标签和参考标签获取的信号强度标签和参考标签获取的信号强度, ,来确定距离目标标签来确定距离目标标签最近的参考标签最近的参考标签, ,然后赋予距离目标标签最近的参考标然后赋予距离

20、目标标签最近的参考标签一个较高的权值签一个较高的权值, ,通过权值和参考标签的位置来确定通过权值和参考标签的位置来确定目标标签的位置目标标签的位置. .红外线定位系统红外线定位系统: : Active BadgeActive Badge是由是由OlivettOlivett实验室基于红外线开发的附实验室基于红外线开发的附近定位系统。近定位系统。系系 统统中的移动单元一个小型的轻量级红外线发射器中的移动单元一个小型的轻量级红外线发射器。 它它以固定的频率广播全球唯一标识号以固定的频率广播全球唯一标识号, ,同时定位区域的同时定位区域的固定位置放置红外线接收机固定位置放置红外线接收机, ,接收红外信

21、号携带的数据接收红外信号携带的数据, ,并通过有线网络与中心服务器连接并通过有线网络与中心服务器连接。 当当接收机检测到红外信号时接收机检测到红外信号时, ,系统认为发射器处于接收系统认为发射器处于接收机覆盖区域之内机覆盖区域之内, ,利用接收机的位置确定发射器的方位利用接收机的位置确定发射器的方位信息信息. .超声波定位系统超声波定位系统: : Active BatActive Bat是由是由AT&TAT&T实验室开发的超声波定位系统。实验室开发的超声波定位系统。该系统主要有该系统主要有4 4部分部分: :发射器、接收器、控制器和中心发射器、接收器、控制器和中心节点。节点。

22、Active Active BatBat标签响应查询命令标签响应查询命令, ,向接收器阵列发送一个向接收器阵列发送一个超声波脉冲超声波脉冲, ,同时控制器向所有的接收器发送一个同步同时控制器向所有的接收器发送一个同步复位信号复位信号。 每个每个接收器测量从复位到接收超声波脉冲的时间间隔接收器测量从复位到接收超声波脉冲的时间间隔, ,然后将这些数据交给中心节点进行相关的定位然后将这些数据交给中心节点进行相关的定位计算。计算。视觉定位系统视觉定位系统: : EasyLivingEasyLiving是由是由MicrosoftMicrosoft视觉技术研究小组利用机器视觉技术研究小组利用机器视觉开发的

23、定位系统视觉开发的定位系统。 EasyLivingEasyLiving系统利用两个彩色三维相机定位系统利用两个彩色三维相机定位, ,并识别室并识别室内环境下多用户的状态内环境下多用户的状态。 虽然虽然EasyLivingEasyLiving通过三维相机可以同时识别多个用户通过三维相机可以同时识别多个用户, ,但这需要庞大的计算量但这需要庞大的计算量, ,要求系统具有非常强大的计算要求系统具有非常强大的计算能力能力。 另外另外, ,因为需要专用设备因为需要专用设备, ,系统的费用比较高。系统的费用比较高。UWBUWB定位系统定位系统: : UbisenseUbisense是剑桥大学基于是剑桥大学

24、基于UWBUWB开发的精确实时定位系统开发的精确实时定位系统。 UbisenseUbisense系统发挥了系统发挥了UWBUWB无线技术的优点无线技术的优点, ,可以实现高精可以实现高精度定位度定位。 因为因为UWBUWB信号具有较强的穿透能力信号具有较强的穿透能力, ,所以它克服了视线关所以它克服了视线关系约束系约束, ,适用于复杂环境下的大范围部署适用于复杂环境下的大范围部署。 UbisenseUbisense定位系统可以实现实时定位定位系统可以实现实时定位, ,它的系统响应时间它的系统响应时间为毫秒级。为毫秒级。室内定位系统面临的挑战室内定位系统面临的挑战1.1.定位系统的无负担性定位系

25、统的无负担性 已有的室内定位系统往往需要用户携带相关辅助已有的室内定位系统往往需要用户携带相关辅助设备。设备。例如例如在在Active BadgeActive Badge系统中系统中, ,用户需要佩戴一个红外的用户需要佩戴一个红外的badge;badge;在在Active BatActive Bat系统中系统中, ,用户需要随身携带一个用户需要随身携带一个BatBat设备。设备。 这些这些辅助设备增加了用户的负担辅助设备增加了用户的负担, ,因为用户需要保证随身因为用户需要保证随身携带这些设备携带这些设备, ,甚至对辅助设备进行操作甚至对辅助设备进行操作. . 而所而所要求的无负担性要求的无负担性, , 本质指是设备自身对于用户而言本质指是设备自身对于用户而言是不可见的。不可见性要求设备微型化、功能单一化并是不可见的。不可见性要求设备微型化、功能单一化并嵌入到物理实体中。嵌入到物理实体中。定位系统的扩展性和易部署性定位系统的扩展性和易部署性: : 可扩展性是指新的节点可以方便地接入现存系统可扩展性是指新的节点可以方便地接入现存系统, ,获取相获取相关的服务。系统只有在具有良好的扩展性前提下才能够实关的服务。系统只有在具有良好的扩展性前提下才能够实现易