无线传感器网络的定位技术

无线传感器网络的定位技术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技术。•移动定位技术–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行测量；–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置进行精确测定；–为移动终端用户提供相关的位置信息服务；–或进行实时的监测和跟踪。定位技术•现如今已有的定位技术大体上可以分为两种室外定位技术和室内定位技术。•可以将室外定位技术进行一定的划分:基于移动网络的定位技术和基于移动终端的定位技术。•室内定位技术由于室内环境的复杂，对技术的要求更加高。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，在事件观测、目标跟踪、网络重构等方面都是不可缺少的环节。•无线传感器网络的定位问题可分为两类一类是无线传感器网络对自身传感器节点的定位，另一类是无线传感器网络对外部目标的定位，如目标跟踪问题．•本章主要讨论前者，即节点自定位技术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要.信号媒介•伴随着无线通信技术的发展,定位系统中使用的信号媒介日益丰富。•要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了解。•定位系统需要根据覆盖范围、精度、费用、功耗等因素选择合适的信号媒介。信号媒介的种类:•定位系统通常使用的信号媒介RF(Radio-Frequency)、红外线、超声波和光学等,其中RF细分为WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)、RFID(RadioFrequencyIdentification)、蓝牙和UWB(UltraWideBand).信号媒介的特点:视线关系(LOS)和非视线关系(NLOS):•LOS(lineofsight)和NLOS(notlineofsight)是指无线信号的视线传输和非视线传输LOS条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间‘直线’传播，这要求在第一菲涅尔区(FirstFresnelzone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度就会明显下降。NLOS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、链路不稳定等一系列问题。节点的定位技术定位系统•通常利用被测信号的TOA(TimeofArrival),TDOA(TimeDifferenceofArrival)和RSS(ReceivedSignalStrength)测定发送节点和接收节点之间的距离；•利用传播信号的AOA(AngleofArrival)确定发送节点和接收节点之间的空间角度关系。TOA及TDOA:如下图所示,已知A,B,C3个节点的坐标分别为(xa,ya),(xb,yb),(xc,yc)。它们到未知节点D(x,y)的距离为da,db,dc.对于TOA的d=ct,t为收发节点之间的传播时间。TDOA机制中,发送节点同时发射两种传播速率不同的无线信号,接收节点根据两种信号到达的时间差和信号的传播速率。d=(t1-t2)×c1c2/(c1-c2).(xa-x)2-(ya-y)2=da2(xb-x)2-(yb-y)2=db2(xc-x)2-(yc-y)2=dc2由上式可以得到未知节点D(x,y)的具体坐标,结果如下:2222222222221)(2)(2)(2)(2dbdcycybxcxbdadcycyaxcxaycybycyaxcxbxcxayxAOA:如下图所示,已知A，B，C的坐标为(xa,ya),(xb,yb),(xc,yc),未知节点的坐标为D(x,y)。对于节点A,C和弧ADC,它们可以唯一的确定一个圆.设圆心的坐标为O1(xo1,xo1),半径为r1,θ=∠AO1C=(2π-2∠ADC),其中∠ADC通过方向性天线或阵列天线,获取发送节点发射的无线信号的到达方向,计算接收节点和发送节点之间的相对方位或角度。•它们满足一下关系:•(xo1-xa)2+(yo1-ya)2=r12•(xo1-xc)2+(yo1-yc)2=r12•(xa-xc)2+(ya-yc)2=2r12-2r12cosθ•由上式可以确定圆心O1的坐标和半径r1。同理可以求出O2的坐标，半径r2，O３的坐标及半径r３。最后再利用上述TOA的方法，由O1，O２和•O３坐标确定D(x,y)的坐标。RSS:•RSS利用信号的衰减原理。信号在空中传播时,信号强度随着传播距离的增加而规律性衰减。在基于RSS的定位系统中,已知发送节点的发射信号强度,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计算距离,统计模型如下:•P(d)=P0-10nplog(d/d0)•P(d)表示在距离d处的信号强度;np为路径损耗因子;P0是在参考距离d0处的信号强度。•RSS它不需要增加任何额外的硬件设备.但由于RF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性，所以受环境的影响很大;无法利用RSS来获得节点间的准确距离,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,在多径环境下,RSS信息的获取要容易很多.所以很多系统运用RSS技术进行定位,RADAR,LANDMARC等系统.室内定位系统分析•所前所述，定位系统在采用技术上的差异对系统的性能将产生重大的影响。不同系统旨在满足不同的应用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,大致可以分为基于RF、红外线、超声波、RFID、视觉、UWB等类型。•下面按类型对室内定位系统进行分析。RF定位系统:•RADAR是基于RSS利用场景分析建立的定位系统。在研究中,RADAR技术使用了Empiricalmodel(经验主义模式)和Signalpropagationmodel(信号传播模式)来对实验结果作为一个比较。Empiricalmodel分为两个阶段,•第一是离线阶段(off-time),借由行动装置先针对定位环境的训练点进行信号强度测量,记录目标节点的位置所对应的3个基站的信号信息,生成以位置为变量的信号信息函数。•第二是实时阶段(on-time),此阶段采集3个基站的信号信息,根据信号信息函数界为求解位置。Signalpropagationmodel•仅仅对空间中的3个点进行测试,其余则导入模式中的数学函数进行位置的判定；•Empiricalmodel得到的位置精确度很高,但这种方式消耗的时间和人工成本相当大。RFID定位系统:•LANDMARC是由密歇根州立大学和香港科技大学合作开发的基于RFID的室内定位系统。•系统引入了参考标签的概念。•参考标签被放置在固定的位置,读卡器通过比较从目标标签和参考标签获取的信号强度,来确定距离目标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签一个较高的权值,通过权值和参考标签的位置来确定目标标签的位置.红外线定位系统:•ActiveBadge是由Olivett实验室基于红外线开发的附近定位系统。系•统中的移动单元一个小型的轻量级红外线发射器。•它以固定的频率广播全球唯一标识号,同时定位区域的固定位置放置红外线接收机,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。•当接收机检测到红外信号时,系统认为发射器处于接收机覆盖区域之内,利用接收机的位置确定发射器的方位信息.超声波定位系统:•ActiveBat是由AT&T实验室开发的超声波定位系统。该系统主要有4部分:发射器、接收器、控制器和中心节点。•ActiveBat标签响应查询命令,向接收器阵列发送一个超声波脉冲,同时控制器向所有的接收器发送一个同步复位信号。•每个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计算。视觉定位系统:•EasyLiving是由Microsoft视觉技术研究小组利用机器视觉开发的定位系统。•EasyLiving系统利用两个彩色三维相机定位,并识别室内环境下多用户的状态。•虽然EasyLiving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,要求系统具有非常强大的计算能力。•另外,因为需要专用设备,系统的费用比较高。UWB定位系统:•Ubisense是剑桥大学基于UWB开发的精确实时定位系统。•Ubisense系统发挥了UWB无线技术的优点,可以实现高精度定位。•因为UWB信号具有较强的穿透能力,所以它克服了视线关系约束,适用于复杂环境下的大范围部署。•Ubisense定位系统可以实现实时定位,它的系统响应时间为毫秒级。室内定位系统面临的挑战1.定位系统的无负担性•已有的室内定位系统往往需要用户携带相关辅助设备。例如在ActiveBadge系统中,用户需要佩戴一个红外的badge;在ActiveBat系统中,用户需要随身携带一个Bat设备。•这些辅助设备增加了用户的负担,因为用户需要保证随身携带这些设备,甚至对辅助设备进行操作.•而所要求的无负担性,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、功能单一化并嵌入到物理实体中。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,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现易部署的目标。•RADAR系统建立RadioMap是整个系统的关键。•如果在系统中加入新的基站节点,则需要重新构造RadioMap,这极大的限制了系统的课扩展性。定位系统的健壮性:•健壮性是指系统在局部发生故障或失效的情况下,仍然能够提供适当服务的能力。•现在的定位系统无法在物理设备失效或拓扑结构变化的情况下保证系统的健壮性。例如LANDMARC系统引入了参考节点,如果参考节点失效,则整个定位系统就无法正常工作。•另外,室内定位系统的健壮性在紧急情况下非常重要。定位系统的响应时间:•响应时间是指在给定输入信号下定位系统输出位置信息的时间。系统的响应时间在定位移动目标时有非常重要的作用。如果定位系统的响应时间较长,则无法判断短暂的状态变化。•显然,在需要对多个移动目标定位的场景中,定位系统的响应时间是衡量系统好坏的重要指标之一。这些场景对于系统响应时间的要求通常是毫秒级。人体日常行为的变化频率为20Hz,但当前定位系统还不能满足实时性的要求.