無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位解算畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為內(nèi)部電路供電，其作用距離相對有源較短，但壽命長且工作環(huán)境要求不高。（3）根據(jù)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類標(biāo)簽的數(shù)據(jù)調(diào)制方式即標(biāo)簽是通過何種形式方法與讀頭之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，據(jù)此RFID可分為主動式、被動式和半主動式。主動式標(biāo)簽用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器；被動式標(biāo)簽使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用閱讀器的載波來調(diào)制自己的信號，該類技術(shù)適合用在門禁或交通應(yīng)用中，因為閱讀器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的標(biāo)簽。在有障礙物的情況下，用調(diào)制散射方式，閱讀器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動方式的標(biāo)簽發(fā)射的信號僅穿過障礙物一次，因此主動方式工作的標(biāo)簽主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離更遠(yuǎn)（可達(dá)100m）。（4）根據(jù)標(biāo)簽的可讀性分類射頻標(biāo)簽內(nèi)部使用的存儲器類型不一樣，可以分為可讀寫卡(RW)，一次寫入多次讀出卡(WORM)和只讀卡(RO)，只讀卡標(biāo)簽內(nèi)一般只有只讀存儲（ROM）和隨即存儲器（RAM）和緩沖存儲器，而可讀寫卡一般還有非活動可編程記憶存儲器。這種存儲器除了存儲數(shù)據(jù)功能外，還具有在適當(dāng)條件下允許多次寫入數(shù)據(jù)的功能。（5）根據(jù)RFID系統(tǒng)標(biāo)簽和讀頭之間的通信工作時序分類時序指的是讀頭和標(biāo)簽的工作次序問題，即是讀頭主動喚醒標(biāo)（RTF， Reader Talk First）還是標(biāo)簽首先自報家門（TTF，Tag Talk First）的方式。一般來說，無源標(biāo)簽一般是TTF方式，TTF系統(tǒng)通信協(xié)議比較簡單，防沖撞能力更強(qiáng)，速度更快。 RFID的基本原理圖25 RFID 的基本原理框圖電子標(biāo)簽和閱讀器之間通過天線架起空間電磁波傳輸?shù)耐ǖ馈Ｍㄟ^射頻信號的耦合將電子標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)傳送給閱讀器。標(biāo)簽和閱讀器之間的信息交互是采用詢問應(yīng)答的方式進(jìn)行的，因此必須有嚴(yán)格的時序關(guān)系，時序由閱讀器提供。標(biāo)簽和閱讀器之間可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，標(biāo)簽存儲的數(shù)據(jù)信息采用對載波的負(fù)載調(diào)制方式想閱讀器傳送，閱讀器給標(biāo)簽的命令和數(shù)據(jù)通常采用載波間隙、脈沖位置調(diào)制、編碼調(diào)制等方法實現(xiàn)傳送。圖26 射頻識別體統(tǒng)模型 RFID的基本工作流程射頻識別系統(tǒng)的基本工作流程是（針對無緣系統(tǒng)）：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡講自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。 射頻信號的耦合類型無線射頻識別操作中的一個關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)的傳輸轉(zhuǎn)換，它發(fā)生在RFID標(biāo)簽與閱讀器之間，成為耦合（Coupling）。這是通過天線進(jìn)行的，RFID標(biāo)簽和閱讀器都有各自的天線。在大多數(shù)無線射頻識別系統(tǒng)中，耦合可以利用電磁波（反向散射），也可以利用磁（感應(yīng)），所用的方法取決于應(yīng)用需求，如成本的高低、尺寸的大小、適度速度、讀取范圍和精確度等。標(biāo)簽和閱讀器之間的射頻信號的耦合類型如下：①電感耦合。（典型工作頻率：125 kHz、255 kHz、13。56 kHz，典型10～20cm）變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。②電磁反向散射耦合。（典型工作頻率：433 kHz、915 kHz、2。45 kHz、5。8 kHz，典型3～10m）雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位系統(tǒng)和算法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被譽(yù)為21世紀(jì)最有影響力的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一，傳感器節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多數(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，在目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤、基于位置信息的路由等，節(jié)點的位置信息也是不可缺少的。作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的大規(guī)模見此和追蹤任務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的性能評價標(biāo)準(zhǔn)和分類方法，著重綜述了今年來該領(lǐng)域具有代表性的算法及系統(tǒng)的原理和特點，并指出未來的研究方向。微電機(jī)系統(tǒng)（microelectromechanism system，簡稱 MEMS ）、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步孕育了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，簡稱 WSN ）。通過部署大量傳感器節(jié)點至目標(biāo)區(qū)域，WSN 將改變我們與客觀世界的交互方式。從軍事應(yīng)用、目標(biāo)追蹤、環(huán)境監(jiān)測到空間探索，WSN 的未來應(yīng)用將超出我們的想象力。對于大多數(shù)應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)時沒有意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定時間”，實現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節(jié)點位置信息還可以提高路由效率，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，想部署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡一集網(wǎng)絡(luò)拖布的自配置。而人工部署和為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝 GPS 接收器都會受到成本、功耗、擴(kuò)展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現(xiàn)。因此必須采用一定的機(jī)制與算法實現(xiàn) WSN 的自身定位。圖31 WSN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等各項技術(shù)。由傳感器、感知對象和觀測者組成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三要素，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀測。其應(yīng)用已經(jīng)由軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到了醫(yī)療衛(wèi)生、遠(yuǎn)程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)和工業(yè)等領(lǐng)域。WSN 結(jié)構(gòu)如圖31所示。大量傳感器布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近， 能通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐步地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對WSN 進(jìn)行配置和管理，發(fā)布檢測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖32 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)和算法的定性分類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括大量的節(jié)點，對每個節(jié)點精確定位的布置是難以實現(xiàn)的。而缺少位置信息的傳感數(shù)據(jù)，通常無法使用甚至沒有意義。基于移動信標(biāo)的未知節(jié)點定位有很多優(yōu)點，如定位成本低、容易達(dá)到很高的定位精度、易于實現(xiàn)三維定位等。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)和算法的分類有以下幾種：（1）絕對定位與相對定位。絕對定位于物理定位類似，定位結(jié)果是一個坐標(biāo)位置，如經(jīng)緯度。而相對定位通常是以網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點為參考，建立整個網(wǎng)絡(luò)的相對坐標(biāo)系統(tǒng)。（2）物理定位與符號定位。經(jīng)緯度就是物理位置，而某個節(jié)點在建筑物得123號房間就是符號位置。一定條件下，物理定位和符號定位可以相互轉(zhuǎn)換。與物理定位相比，符號定位適用于某些特定的應(yīng)用場合。（3）集中式計算與分布式計算定位。集中計算是指把所需信息傳送到某個中心節(jié)點，并在哪里進(jìn)行節(jié)點定位計算的方式；分布式計算是指一來節(jié)點間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點自行計算的定位方式。（4）移動信標(biāo)與固定信標(biāo)定位。移動信標(biāo)節(jié)點是一類裝備了GPS或其他定位裝置的可移動節(jié)點，它在移動的過程中周期性發(fā)布自己的位置信息。基于移動信標(biāo)的未知節(jié)點定位有很多優(yōu)點，如定位成本低、容易達(dá)到很高的定位精度、可實現(xiàn)分布式定位計算、易于實現(xiàn)三維定位等。而固定信標(biāo)節(jié)點是一類裝備了GPS或其他定位裝置的不可移動節(jié)點。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)和算法評價標(biāo)準(zhǔn)從1992年 ATamp。T Laboratories Cambridge 開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng) Active Badge至今，研究者們一直致力于這一領(lǐng)域的研究。事實上，已有許多系統(tǒng)和算法能夠解決 WSN 自身定位問題。但是，每種系統(tǒng)和算法都用來解決不同的問題或支持不通過的應(yīng)用，他們在用于定位的物理現(xiàn)象、網(wǎng)絡(luò)組成、能量需求、基礎(chǔ)設(shè)施和時空的復(fù)雜性等許多方面有所不同。WSN 自身定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響其可用性，如何評價他們是一個重要的問題，下面定性地討論幾個常用的評價標(biāo)準(zhǔn)。（1）定位精度。定位技術(shù)首要的評價指標(biāo)就是定位精度，一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例表示。例如，定位精度為20%表示定位誤差相當(dāng)于節(jié)點無線射程的20%。也有部分定位系統(tǒng)將二維網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域劃分為網(wǎng)格，其定位結(jié)果的精度也就是網(wǎng)格的大小，如微軟的 RADAR , Wireless Corporation 的 Radio Camera 等。（2）規(guī)模。不同的定位系統(tǒng)或算法也許可在園區(qū)內(nèi)、建筑物內(nèi)、一層建筑物或僅僅是一個房間內(nèi)實現(xiàn)定位。另外，給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或在一段時間內(nèi)，一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個重要的評價指標(biāo)。例如，RADAR 系統(tǒng)僅可在建筑物的一層內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)定位，劍橋的 Active Office 定位系統(tǒng)每200ms 定位一個節(jié)點。（3）錨節(jié)點密度。錨節(jié)點定位通常依賴人工部署或GPS實現(xiàn)。人工部署的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制，還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。而是用 GPS 定位，錨節(jié)點的費(fèi)用會比普通節(jié)點高兩個數(shù)量級，這意味著及時僅有10%的節(jié)點是錨節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)的價格也將增加10倍。因此，錨節(jié)點密度也是評價定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。（4）節(jié)點密度。在 WSN 中，節(jié)點密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加，而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。節(jié)點密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示。許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響，如 DVHop 算法僅可在節(jié)點密集部署的情況下合理地估算節(jié)點位置。（5）容錯性和自適應(yīng)行。通常，定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備。但在真實應(yīng)用場合中常會有諸如以下的問題：外界環(huán)境中存在嚴(yán)重的多徑傳播、衰減、非視距（nonlineofsight ，簡稱 NLOS）、通信盲點等問題；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于周圍環(huán)境或自身原因（如電池耗盡、物理損傷）而出現(xiàn)失效的問題；外界影響和節(jié)點硬件精度限制早晨各節(jié)點或使用其他高精度的測量手段常常是十分困難或不可行的。因此，定位系統(tǒng)和算法的軟、硬件必須具有很強(qiáng)的容錯性和自適應(yīng)性，能夠通過自動調(diào)整或重構(gòu)糾正錯誤、適應(yīng)環(huán)境、減小各種誤差的影響，以提高定位精度。（6）功耗。功耗是對 WSN 的設(shè)計和實現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點電池能量有限，因此在保證定位精度的前提下，與功耗密切相關(guān)的定位所需的計算量、通信開銷、存儲開銷、時間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標(biāo)。（7）代價。定位系統(tǒng)或算法的代價可從幾個不同方面來評價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間。空間代價包括一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量、硬件尺寸等。資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點設(shè)備的總費(fèi)用。上述7個性能指標(biāo)不僅是評價 WSN 自身定位系統(tǒng)和算法的標(biāo)準(zhǔn)，也是其設(shè)計和實現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)的優(yōu)化，有大量的研究工作需要完成。同時，這些性能指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，必須根據(jù)應(yīng)用的具體需求做出權(quán)衡，以選擇和設(shè)計合適的定位技術(shù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)及算法簡析無線定位技術(shù)是用來測量處于無線網(wǎng)絡(luò)中移動物體(人和物)位置的測量方法或計算方法。節(jié)點定位算法分為兩類: 基于距離(range based)的定位算法和距離無關(guān)(range free)的定位算法前者需要測量節(jié)點間的距離和角度信息，再使用三邊測量法、三角測量法等來計算節(jié)點位置；后者僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點定位，降低了對節(jié)點硬件的要求，但是定位誤差也相應(yīng)地有所增加。 基于距離的定位算法及定位技術(shù)（1）TOA(Time of Arrival)到達(dá)時間（TOA）技術(shù)通過測量信號傳播時間來測量距離。在兩個節(jié)點時間同步的前提下，發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個信號給接收節(jié)點,同時發(fā)送一個同步信息，告知接收節(jié)點信號發(fā)送的時間，接收節(jié)點接收信號的同時接收同步信號，并記錄接收信號的時間。在已知信號傳播速度的條件下，根據(jù)信號的傳播時間來計算與發(fā)送節(jié)點間的距離，然后，利用三邊測量或極大似然估計算法計算出節(jié)點位置。TOA的精確性高，但也要求節(jié)點間保持精確的時間同步，因此,對傳感器節(jié)點的硬件和功耗的要求也相當(dāng)高。TOA定位只需要收發(fā)節(jié)點的同步，對帶寬的消耗小,適用于窄帶系統(tǒng)的定位。在 TOA 方法中，若電波從錨節(jié)點到未知節(jié)點的傳播時間為，電波傳播速度為，則錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離為。TOA 要求接收信號的錨節(jié)點或未知節(jié)點知道信號開始傳輸?shù)臅r刻，并要求節(jié)點有非常精確的時鐘。這種方式在絕大多數(shù)的WSM的應(yīng)用中是很難實現(xiàn)的。（2）TDOA(Time Difference of Arrival)時間差（TDOA）是最為流行的一種定位方法， 在GSM和CDMA中應(yīng)用廣泛。事先確定接受端位置的三維坐標(biāo)，通過測量同一信號到達(dá)任意兩個接收端的時間差,或兩種不同信號到達(dá)同一節(jié)點所產(chǎn)生的時間差，可以計算發(fā)射點與接收端的距離差。根據(jù)這個差值和兩個接收端的位置構(gòu)建一個雙曲線，確定一個2D平面坐標(biāo)，至少需要2個雙曲線(TDOA值),3D環(huán)境則至少需要3個值。TDOA方法不要求知道信號傳播的具體時間，還可以消除或減少在所有接收機(jī)上由于信道產(chǎn)生的共同誤差，在通常情況下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成離服務(wù)基站近的移動臺發(fā)射功率小，使得相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差，即相鄰基站接受到的功率非常小，造成比較大的測量誤差。由于這種方法不是采用到達(dá)的絕對時間來確定節(jié)點的位置，降低了對時間同步的要求，但是仍然需要較精確的計時功能，并且硬件上要有超聲波發(fā)送和接受裝置，增加了節(jié)點的成本和體積，同時由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有分布密集和無線通信范圍小的特點，這種方法大規(guī)模的應(yīng)用難度較大。（3）AOA(Angle of Arrival)到達(dá)角（AOA）方法需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加智能天線(SA)才可實現(xiàn)，由兩個或更多基站通過測量接受信號的到達(dá)角來估計移動用戶的位置。接收機(jī)通過天線陣列測出電波的入射角，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的徑向連線，即測位線，移動臺的二維位置坐標(biāo)可通過兩根測位線的交點獲得。通過計算信號到達(dá)任意兩個接收端各自的入射角度，以及從接收端引出的兩條射線的交點，可以得到發(fā)射點的位置。在障礙物較多的環(huán)境中，由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大，定位精度較低，尤