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1、无线网络节点的定位 报告人报告人: :朱清朱清摘要我们将从以下几点进行研究:1.1.无线网络节点的定位的概述无线网络节点的定位的概述2.2.比较较定位系统中的各种信号媒介比较较定位系统中的各种信号媒介3.3.节点的定位技术节点的定位技术4.4.室内定位系统分析室内定位系统分析5.5.室内定位系统面临的挑战室内定位系统面临的挑战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.移动定位技术就是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，以便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
2、和跟踪。无线网络节点的定位的概述什么是无线传感器网络?无线传感器网络是由集成了传感单元、信息处理单元、无线通信单元等的传感器节点通过自组织的方式构成的网络，借助于各类集成化的微型传感器实时采集所需的物理信息，如温度、湿度、速度、方向等，并以多跳中继的方式传送到用户终端.无线网络节点的定位的概述定位技术现如今已有的定位技术大体上可以分为两种现如今已有的定位技术大体上可以分为两种: :室室外定位技术和室内定位技术外定位技术和室内定位技术. .同时我们又可以将室外定位技术进行一定的划分同时我们又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基于移动网络的定位技术和基
3、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，对技术的要室内定位技术由于室内环境的复杂，对技术的要求更加高，我们将重点介绍一些室内定位技术求更加高，我们将重点介绍一些室内定位技术. .无线网络节点的定位的概述什么是节点定位?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，如目标跟踪问题我们的研究主要讨论前者，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,
4、定位系统中使用的信号媒介日益丰富.我们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。信号媒介信号媒介的种类:定位系统通常使用的信号媒介包括定位系统通常使用的信号媒介包括RF(RadioRF(Radio- -Frequency)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细分为细分为WLAN( Wireless Local Area Network)WLAN( Wireless Local Area Network)、RFID (Radio Frequen
5、cy Identification)RFID (Radio Frequency Identification)、蓝、蓝牙和牙和UWB( Ultra Wide Band).UWB( Ultra Wide Band).信号媒介信号媒介的特点:信号媒介视线关系视线关系(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 line of sight)是指无线信号是指无线信号的视线传输和非视线传输的视线传输和非视线传输. .LOSLOS条件
6、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 (First Fresnel zone)zone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满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。足，信号强度就会明显下降。NLOSNLOS 是指是指在有障碍物的情况下，无线信号只能通过反射，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散射和衍射方式到达接收端。此时的无线信号通过多种。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
7、延不同步、信号衰减、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。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定位系统通常利用被测信号的TOA (Time of TOA (Time of Arrival),TDOAArrival),TDOA (Time Difference of Arrival) (Time Difference of Arrival)和和RSS RSS (Received Signal Strength)(Received Signal Strength)测定发送节点和接收节测定发送节点和接收节点之间的距
8、离点之间的距离, ,利用传播信号的利用传播信号的AOA (Angle of AOA (Angle of Arrival )Arrival )确定发送节点和接收节点之间的空间角确定发送节点和接收节点之间的空间角度关系。度关系。节点的定位技术TOATOA及及TDOA:TDOA:如下图所示如下图所示, ,已知已知A,B,CA,B,C3 3个节点的坐标分别为个节点的坐标分别为( (x xa a,y,ya a), ), ( (x xb b,y,yb b), (), (x xc c,y,yc c).).它们到未知节点它们到未知节点D(x,yD(x,y) )的距离为的距离为d da a,d ,db b,d
9、,dc c. .对于对于TOATOA的的d=ct, td=ct, t为收发节点之间的传播时间为收发节点之间的传播时间. . TDOATDOA机机制中制中, ,发送节点同时发射两种传播速率不同的无线信号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) d=(t1-t2) c1c2/(c1-c2).c1c2/(c1-c2).(x(xa a-x)-x)2 2-(y-(ya a-y)-y)2 2=d=da a2 2(x(xb b-x)-x)2 2-(y-(yb b-y)-y)2 2=
10、d=db b2 2 (x(xc c-x)-x)2 2-(y-(yc c-y)-y)2 2=d=dc c2 2 节点的定位技术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, ,结结果如下果如下: :节点的定位技术AOA:如下图所示如下图所示, ,已知已知A,B.C,A,B.C,的坐标为的坐标为( ( x xa a, , y ya a), ( ), ( x xb b, , y yb b), ( ), ( x xc c, , y yc c), ),未知节点的坐标为未知节点的坐标为D( x, y).D( x, y).对于节对于节点点A,CA,C和弧和
11、弧ADC,ADC,它们可以唯一的确定一个圆它们可以唯一的确定一个圆. .设设圆心的坐标为圆心的坐标为O1(xo1,xo1),O1(xo1,xo1),半径为半径为r1, r1, =AOAO1 1C=(2-2C=(2-2 ADCADC), ),其中其中 ADCADC通过通过方向性天线或阵列天线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获取发送节点发射的无线信号的到达方向, ,计算计算接收节点和发送节点之间的相对方位或角度接收节点和发送节点之间的相对方位或角度. .节点的定位技术它们满足一下关系它们满足一下关系: :(x(xo1o1-x-xa a) )2 2+(y+(yo1o1-
12、y-ya a) )2 2=r=r1 12 2(x(xo1o1-x-xc c) )2 2+(y+(yo1o1-y-yc c) )2 2=r=r1 12 2(x(xa a-x-xc c) )2 2+(y+(ya a-y-yc c) )2 2=2r=2r1 12 2- -2r2r1 12 2cos cos 由上式可以确定圆心由上式可以确定圆心OO1 1的坐标和半径的坐标和半径r r1 1。同理可同理可以求出以求出OO2 2的坐标的坐标，半径半径r r2 2， OO的坐标及半径的坐标及半径r r最后再利用上述最后再利用上述TOATOA的方法，由的方法，由OO1 1， OO和和OO坐标确定坐标确定D(
13、x, y)D( x, y)的坐标的坐标节点的定位技术RSS:RSSRSS利用信号的衰减原理利用信号的衰减原理. .信号在空中传播时信号在空中传播时, ,信信号强度随着传播距离的增加而规律性衰减。在基号强度随着传播距离的增加而规律性衰减。在基于于RSSRSS的定位系统中的定位系统中, ,已知发送节点的发射信号强已知发送节点的发射信号强度度, ,接收节点根据接收信号的强度和理论或经验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的路径损耗传播模型计算距离, ,统计模型如下统计模型如下: :P( d)=P0-10nplog(d/d0)P( d)表示在距离表示在距离d d处的信号强度
14、处的信号强度; ; np为路径损耗为路径损耗因子因子; ; P0是在参考距离是在参考距离d0处的信号强度处的信号强度。节点的定位技术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由于多径和非视线传播等造成的信号传播模型的复杂性模型的复杂性，所以所以受环境的影响很大受环境的影响很大; ;无法利无法利用用RSSRSS来获得节点间的准确距离来获得节点间的准确距离, ,因此算法精度也因此算法精度也就不是非常令人满意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, ,在多在多径环境下径环境下,
15、, RSSRSS信息的获取要容易很多信息的获取要容易很多. .所以很多所以很多系统运用系统运用RSSRSS技术进行定位技术进行定位, ,RADAR,LANDMARCRADAR,LANDMARC等系等系统统. .室内定位系统分析如前文所述定位系统在采用技术上的差异对系统如前文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的性能将产生重大的影响. .不同系统旨在满足不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型的室内定位系统根据信号媒介的差异, ,大致可大致可以分为基于以分为基于RFRF、红外
16、线红外线、超声波超声波、RFIDRFID、视觉视觉、UWBUWB等类型等类型。下面按类型对室内定位系统进行分下面按类型对室内定位系统进行分析。析。室内定位系统分析RF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利用场景分析建立的定位系统。在研究中在研究中, , RADARRADAR技术使用了技术使用了Empirical model Empirical model ( (经验主义模式经验主义模式) )和和 Signal propagation model (Signal propagation model (信号信号传播模式传播模式) )来对实验结果作为一个比
17、较来对实验结果作为一个比较. .室内定位系统分析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),借由借由行动装置先针对定位环境的训行动装置先针对定位环境的训练点进行信号强度测量练点进行信号强度测量, ,记录目记录目标节点的位置所对应的标节点的位置所对应的3 3个基站个基站的信号信息的信号信息, ,生成以位置为变量生成以位置为变量的信号信息函数的信号信息函数. .第二是实时阶第二是实时阶段段(on-time),(on-time),此阶段采集此阶段采集3 3个基站个基站的信号信息的信号
18、信息, ,根据信号信息函数界根据信号信息函数界为求解位置为求解位置. .室内定位系统分析Signal propagation modelSignal propagation model则是仅仅对空间中的则是仅仅对空间中的3 3个个点进行测试点进行测试, ,其余则导入模式中的数学函数进行其余则导入模式中的数学函数进行位置的判定位置的判定. .结果是结果是Empirical modelEmpirical model得到的位置精得到的位置精确度很高确度很高, ,但这种方式消耗的时间和人工成本相但这种方式消耗的时间和人工成本相当大当大. .室内定位系统分析RFID定位系统:LANDMARCLANDMA
19、RC是由密歇根州立大学和香港科技大是由密歇根州立大学和香港科技大学合作开发的基于学合作开发的基于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。参考标签被放置在固定引入了参考标签的概念。参考标签被放置在固定的位置的位置, ,读卡器通过比较从目标标签和参考标签读卡器通过比较从目标标签和参考标签获取的信号强度获取的信号强度, ,来确定距离目标标签最近的参来确定距离目标标签最近的参考标签考标签, ,然后赋予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一个较高的权值, ,通过权值和参考标签的位置来通过权值和参考标签的位置来确定目标标签的位置确
20、定目标标签的位置. .室内定位系统分析红外线定位系统: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唯一标识号, ,同时定位区域的固定位置放置红外同时定位区域的固定位置放置红外线接收机线接收机, ,接收红外信号携带的数据接收红外信号携带的数据, ,并通过有线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网络与中心服务器连接。当接收机检测
21、到红外信号时号时, ,系统认为发射器处于接收机覆盖区域之内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利用接收机的位置确定发射器的方位信息. .室内定位系统分析超声波定位系统:Active BatActive Bat是由是由AT&TAT&T实验室开发的超声波定位系实验室开发的超声波定位系统。该系统主要有统。该系统主要有4 4部分部分: :发射器、接收器、控制发射器、接收器、控制器和中心节点器和中心节点. .Active BatActive Bat标签响应查询命令标签响应查询命令, ,向向接收器阵列发送一个超声波脉冲接收器阵列发送一个超声波脉冲, ,同时控制器向
22、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器测量从复位到接收超声波脉冲的时间间隔, ,然然后将这些数据交给中心节点进行相关的定位计算后将这些数据交给中心节点进行相关的定位计算. .室内定位系统分析视觉定位系统:EasyLivingEasyLiving是由是由MicrosoftMicrosoft视觉技术研究小组利用视觉技术研究小组利用机器视觉开发的定位系统机器视觉开发的定位系统。EasyLivingEasyLiving系统利用系统利用两个彩色三维相机定位两个彩色三维相机定位, ,并识别室内环境下多用并识别
23、室内环境下多用户的状态户的状态。虽然虽然EasyLivingEasyLiving通过三维相机可以同通过三维相机可以同时识别多个用户时识别多个用户, ,但这需要庞大的计算量但这需要庞大的计算量, ,要求系要求系统具有非常强大的计算能力。另外统具有非常强大的计算能力。另外, ,因为需要专因为需要专用设备用设备, ,系统的费用比较高。系统的费用比较高。室内定位系统分析UWB定位系统: :UbisenseUbisense是剑桥大学基于是剑桥大学基于UWBUWB开发的精确实时定开发的精确实时定位系统。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,
24、,可以实现高精度定位可以实现高精度定位。因为。因为UWBUWB信号具有较强的信号具有较强的穿透能力穿透能力, ,所以它克服了视线关系约束所以它克服了视线关系约束, ,适用于复适用于复杂环境下的大范围部署。杂环境下的大范围部署。UbisenseUbisense定位系统可以定位系统可以实现实时定位实现实时定位, ,它的系统响应时间为毫秒级。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. .例如在例如在Active BadgeActive Badge系统中系统中, ,用户需要佩戴用户
25、需要佩戴一个红外的一个红外的badgebadge; ;在在Active BatActive Bat系统中系统中, ,用户需要用户需要随身携带一个随身携带一个BatBat设备设备. .这些辅助设备增加了用户这些辅助设备增加了用户的负担的负担, ,因为用户需要保证随身携带这些设备因为用户需要保证随身携带这些设备, ,甚甚至对辅助设备进行操作至对辅助设备进行操作. .而我们所要求的无负担性而我们所要求的无负担性, , 本质本质指指是设备自身对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。化、功能单一化并嵌入到物理实体
26、中。室内定位系统面临的挑战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, ,获取相关的服务。系统只有在具有良好的扩展性获取相关的服务。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。前提下才能够实现易部署的目标。RADARRADAR系统建立系统建立Radio MapRadio Map是整个系统的关键。是整个系统的关键。如果在系统中加入新的基站节点如果在系统中加入新的基站节点, ,则需要重新构则需要重新构造造Radio Map,Radio Map,这极大的限制了系统的课扩展性这极大的限制了系统的课扩展性。室内定位系统面临
27、的挑战定位系统的健壮性: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。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。例如变化的情况下保证系统的健壮性。例如LANDMARCLANDMARC系统引入了参考节点系统引入了参考节点, ,如果参考节点如果参考节点失效失效, ,则整个定位系统就无法正常工作。则整个定位系统就无法正常工作。另外另外, ,室内定位系统的健壮性在紧急情况下非常室内定位系统的健壮性在紧急情况下非常重要。重要。室内定位
28、系统面临的挑战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。时有非常重要的作用。如果定位系统的响应时间如果定位系统的响应时间较长较长, ,则无法判断短暂的状态变化则无法判断短暂的状态变化。显然显然, ,在需要对多个移动目标定位的场景中在需要对多个移动目标定位的场景中, ,定位定位系统的响应时间是衡量系统好坏的重要指标之一。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。这些场景对于系统响应时间的
29、要求通常是毫秒级。人体日常行为的变化频率为人体日常行为的变化频率为20Hz,20Hz,但当前定位系但当前定位系统还不能满足实时性的要求统还不能满足实时性的要求. .总结本次报告从无线网络节点的定位的概述本次报告从无线网络节点的定位的概述, ,比较较比较较定位系统中的各种信号媒介定位系统中的各种信号媒介, ,节点的定位技术节点的定位技术, ,室室内定位系统分析和内定位系统分析和室内定位系统面临的挑战这室内定位系统面临的挑战这5 5方面进行了了解方面进行了了解, ,对对无线网络节点的定位有了初无线网络节点的定位有了初步的简单的了解步的简单的了解. .下一步的工作将是对下一步的工作将是对室内定位系统进行具体的分室内定位系统进行具体的分析析, ,并试图能找出解决并试图能找出解决室内定位系统面临的某些室内定位系统面临的某些挑战的一些方法挑战的一些方法. .
