（通信与信息系统专业论文）基于rfid的室内定位感知系统的研究与实现.pdf

摘要 互联网应用的兴起使计算模式继主机计算和桌面计算之后进入一种 全新的模式，这就是普适计算模式。普适计算旨在透明的为人们提供随 时随地数字化服务。定位感知系统是普适计算研究中的核心部分之一。 如何确定室内用户的动态位置信息，如何主动向用户提供各种所需的信 息，都是当前的研究热点。 目前，现有的定位技术不能完全满足室内定位感知的要求，但随着 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e 埘矗c a t i o n ，r f i d ) 技术的成熟，这一问题有 望得到解决。射频识别，又称电子标签( e t a 曲，是一种利用射频信号自 动识别目标对象并获取相关信息的技术，由于其具有得非接触和非视距 等优点使其成为优选的室内定位技术。 本文从定位算法和定位系统两个角度，对采用r f i d 技术解决室内 定位感知问题进行了讨论。本文描述了r f i d 系统组成与工作原理，分 类比较了各种室内定位技术，详细介绍了r f i d 定位的基本算法和常用 定位方案。在概述了l a n d m a r c 方案中的定位算法的基础上，提出一 种基于a o a 定位方法的室内r f i d 定位算法，并且通过程序仿真从理论 上证明了该定位算法不但定位精度高，而且可以为室内物体提供三维立 体定位。此外，结合r f i d 三维室内定位算法站在系统角度上，本文构 建了室内r f i d 定位感知原型系统。通过分析定位感知系统的需求，本 文提出并实现了基于c o n 的多层分布式系统模型，并且描述了系统 的物理拓扑结构。为了更好理解本文提出这套室内定位解决方案，本文 设计三种定位感知系统的应用环境，对每种应用都做了简单的介绍。 关键词：普适计算、射频识别、定位感知、室内定位、c o 融j a a b s t r a c t t h ec o m p u t i n gp a 姐d 远mi sc o m i n gt ot h eu b i q u i t o u sc o m p u t i n ge r aw i t h t b er i s eo fi n t e m e ta p p l i c a t i o n t h en e wc o m p u t i n gp a r a d i g mf o r m sa c o m p u t i n ge n v i r o n m e mw i t ht h eo b j e c t i v eo fp r o v i d i n gp e o p l ew i 也d i g i t a l s e i c ee v e r y w b e r ea ta n yt i m e l o c a t i o n - a w a r es y s t e mi st h ee s s e n t i a lp a r t o ft h eu b i q u i t o u sc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t h o wt o1 0 c a l i z ep e o p l ei nt 1 1 e i n d o o re n v i r o n m e n ta 1 1 ds e r v et h e m 、v i t hv a r i e t i e so f p r a c t i c a ll o c a t i o n w a r e i n f o m l a t i o ni sh o ts u b j e c ti nt 1 1 e1 0 c a t i o n _ a w a r ef i e l d c u e n t l y ，e x i s t i n gl o c a l i z a t i o nt e c l l i l i q u e s h a v en o tm e tt 1 1 en e e d o f i n d o o rl o c a t i o n a w a r e s y s t e my e t a sr f i dt e c h n i q u eb e c o m e sm o r e m a t u r e ，t h i sp r o b l e m 、i l lb es o l v e d r f i di sak i n do ft e c h n i q u ew h i c h a u t o m a t i c a l l yi d e n t i f i e so b j e c t sa n dc o l l e c t sr e l e v a n ti n f o m l a t i o n t h e n o n c o m a c ta n dn l o sp r o p e r t ym a k er f i d血e p r e f e r r c d i n d o o r l o c a l i z a t i o nt e c l l i l i q u e t 圭l i s 也e s i sd i s c u s s e st h ep o s s i b i l i t yo fs 0 1 v i n g1 0 c a t i o n - a w a r cp r o b l e m s w i t hr f i dt e c h n i q u ef r o mt w oa 1 1 9 1 e so f1 0 c a l i 髓t i o n 村g o r i t l l l l la n ds y s t e m t h i sp 印e rd e s c r i b e sc o m p o n e n t sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fr f i ds y s t e m ， s p e c i f i e sb a s i cr f i d1 0 c a l i z a t i o na l g o r i m m sa 1 1 dc o m m o nl o c a l i z a t i o n s c h e m e s a f t e rs u m m a r i z i n ga 1 1 da n a l y z i n gt h el a n d m a r c ，t 1 1 i sp a p e r p m p o s e sa1 0 c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do na o a a 1 1 de x p l a i n st h a ti tc a n p r o v i d eb e t t e ra c c u r a c yt h r o u 曲e m u l a t i o n f u m l e n n o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n s a n dr e a l i z e st l l el o c a l i z a t i o np m t o t y p es y s t e mb a s e do nc o i 出am u l t i l a y e r d i s t r i b u t i o na r c h i t e c t u r e i no r d e rt ou i l d e r s t a n dt h et l l e m e ，m r e e 印p l i c a t i o n s i t u a t i o n so f l o c a t i o n w a r es y s t e ma r ed e s i g n e da tt h ee n do f p 叩e r k e y w o r d s ：u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ，r f i d ，1 0 c a t i o r 卜a w a r es y s t e m ，c o r b a 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：史嫡 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。论文中所有创新和成果归北京交通大学电信学院i p 网络实验室和 华为技术有限公司共同所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 签名：j 虹导师签名 北京交通大学硕 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍了本文的选题背景和意义，以及射频识别技术与室内 定位的国内外研究现状，最后指出了本论文所做的主要工作。 1 1 研究背景及意义 m a r k w e i s e r 在“最好的技术是那些看不见的技术。这些技术己经渐 渐地融合到了每天的日常生活中，最后我们再也不能把它们和我们的生 活区别开来了”这是1 9 9 1 年他曾在2 1 世纪的计算机一文中描述的 他对于普适计算的设想。随着软硬件技术的发展，这种设想的实现越来 越受到学术界的关注。普适计算是继主机计算、桌面计算之后，出现的 新一代计算模式。普适计算是将信息空间与物理空间进行融合，在这个 融合的空间中，人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务”2 l 。 普适计算中的上下文感知为用户提供其所在室内环境的上下文相关 信息，其中8 0 的信息和位置有关，并且设备的许多行为都与其所在的 位置相关联。因此，普适计算中的定位感知系统称为了普适计算研究中 核心部分之一1 3 j 5 l 。如何确定室内用户的动态位置信息，如何主动向用 户提供各种所需的信息，都是定位感知系统的研究重点。 最近，室内定位感知领域又出现了一项新技术一射频识别技术，即 r f i d ( r a d i of r c q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 。r f i d 是从二十世纪9 0 年代兴起的 一项非接触式自动识别技术，是集计算机技术、信息采集处理技术、无 线数据传输技术、网络数据通信技术和机械电子自动控制技术等多学科 综合应用为一体的自动化控制系统。射频识别技术利用射频方式进行非 接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、 北京交通大学硕上学位沦文第一章绪论 适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可识别高速运动的物体，且可 同时识别多个标签等许多优点。 将射频识别技术应用于室内定位感知领域，能够充分发挥射频识别 技术的优势，而且具有现实意义，具体来说其意义可归纳为三点： ( 1 ) 实现了普适计算的基本思想，使人们享受到了随时随地的数字化服 务。 ( 2 ) 提高了展览馆、大厦以及家庭住宅等室内场所内部的网络智能化水 平，为置身其中的人们提供了更方便舒适的工作和生活环境，并且增强 了人与环境之间的互动、人与人之间的交流。 ( 3 ) 突破了射频识别传统的物流应用领域，从广度和深度上扩展了其应用 范围，赋予了射频识别技术新的使命。 此外，射频识别应用于室内定位领域的时机也已经成熟了。射频识 别各项技术的日臻成熟。随着工作频率选择、天线设计、防冲突技术和 安全与隐私保护等核心技术研究的不断深入成熟，使得射频识别技术逐 渐成为一项稳定、可靠的室内定位技术；射频识别设备成本的降低。射 频识别技术刚刚推出时，电子标签的价格是非常昂贵的，但随着制造工 艺的进步，芯片的成本越来越低，在现在和将来，一定能够降低到可以 接受的程度，这使得射频识别在定位领域更具备了成本优势。 1 2 射频识别国内外研究现状 目前，射频识别技术的研究主要围绕技术标准、射频标签成本、射频 识别核心技术研究和应用系统开发等方面展开的。 1 射频识别技术标准 为了实现对世界范围内的物品进行统一管理，同时也为了规范标签 及读写器的开发工作，解决r f i d 系统的互联和兼容为题，必须对r f i d 北京交通人学硕士学位论文第一章绪论 技术进行规范。但到目前为止，r f i d 国际和国内标签都还尚未形成。当 前主要的r f i d 相关规范有欧美e p c 规范 “、日本u i d 规范1 7 1 和i s o l 8 0 0 0 系列标准。 2 射频标签成本 r f i d 标签成本是其商业应用能否取得成功的关键。r f i d 标签的成本 主要由i c 芯片、天线和封装等几部分构成。随着集成电路技术的进步和 应用规模扩大，r f i d 标签的成本将不断降低。根据a u t 0 一i d 中心的预测， 在大规模生产的情况下，r f i d 标签生产成本最低能降到5 美分，其中i c 芯片约l 2 美分，天线约l 美分 l 。此外，r f i d 读写器的成本也是影响 r f i d 应用的因素之一。 3 射频识别核心技术研究 当前，r f i d 技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技 术和安全与隐私保护等方面。 f 1 ) 工作频率选择。 工作频率选择是r f i d 技术中的一个关键问题。工作频率的选择既 要适应各种不同应用需求，还需要考虑各国对无线电频段使用和发射功 率的规定。当前r f i d 工作频率跨越多个频段，不同频段具有各自优缺 点，它既影响标签的性能和尺寸大小，还影响标签与读写器的价格。此 外，无线电发射功率的差别影响读写器作用距离。 频段描述 作用距离 穿透镜力 2 5 1 3 4 k h z低频( l f )4 5 c m 能穿透大部分物体 1 3 5 5 3 1 3 5 6 7 m h z高频( h f ) 卜0 m 勉强穿透金属、液体 4 0 0 1 0 0 0 m h z 超高频( u h f ) 3 9 m 穿透能力较弱 2 4 5 g h z微波 3 m 穿透能力最弱 表1 1r f i d 频段特性 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 1r f i d 天线研究 由于应用场合的限制，r f i d 标签通常需要贴在不同类型、不同形状 的物体表面，甚至需要嵌入到物体内部。r f i d 标签在要求低成本的同时， 还要求有高的可靠性。此外，标签天线和读写器天线还分别承担接收能 量和发射能量的作用，这些因素对天线的设计提出了严格要求1 0 i 。当前 对r f i d 天线的研究主要集中在研究天线结构1 ”1 1 3 1 和环境因素对天线性 能的影响上。 ( 3 1 防冲突技术研究 鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用 范围内时，在没有采取多址访问控制机制情况下，信息传输过程将产生 冲突，导致信息读取失败。同时多个读写器之问工作范围重叠也将造成 冲突。文献8 1 提出了c o l o r w a v e 算法以解决读写器冲突问题。根据电子标 签工作频段的不同，人们提出了许多防冲突算法。对于标签冲突，在高 频( h f ) 频段，防冲突算法一般采用经典a l o h a 协议。在超高频( u h f ) 频 段，主要采用树分叉算法来避免冲突。这两种标签防冲突方法均属于时 分多址访问( t d m a ) 方式，应用比较广泛。除此之外，目前还有人提出了 频分多址访问( f d m a ) 和码分多址访问( c d m a ) 方式的防冲突算法，主要 应用于超高频和微波等宽带应用场景。 ( 4 ) 安全与隐私问题 r f i d 安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘 密保护、防范对r e d 系统的攻击以及利用r f i d 技术进行安全防范等多个 方面。 4 r f i d 应用研究 基于r f i d 标签对物体的唯一标识特性，引发了人们对基于r f i d 技术 的应用研究热潮。物流与实物互联网是当前r f i d 应用研究的热点。其中 北京交通大学确i 学位论文第一章绪论 实物互联网是通过给物品贴上r f i d 标签，在现有互连网基础之上构建所 有参与流通的物品信息网络。另一应用研究热点是空间定位与跟踪i l ， r f i d 定位与跟踪系统主要利用标签对物体的唯一标识特性，依据读写器 与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度来测量物品的空间位 置，主要应用于g p s 系统难以奏效的室内定位领域1 1 5 ， i 。其他应用研究 还包括普适计算i l ”、系统安防等多个方面。 1 3 室内定位国内外研究现状 普适计算中的定位感知系统必须是定位系统与位置服务系统两者的 紧密结合。正如本文将要在第四章提出的定位感知系统模型一样，室内 的用户每移动到一个新的位置，系统必须能够实时进行精确定位，然 后利用这些位置信息，定位感知系统能够积极主动地向用户广播所能提 供的各种信息，从而使用户能够有效地选择自己所需要的信息。因此， 本节将介绍感知系统的基础定位系统的发展现状。 移动计算器件的发展和无线局域网技术的进步促进了移动定位技术 的突飞猛进，三角定位、图像分析和信标定位是三大主要自动定位技术 ”9 1 。目前科学家己建立了许多自动定位系统，最主要的定位系统是大家 熟知的g p s 全球定位系统0 2 0 ，2 1 ，2 2 1 。由于全球定位系统属于卫星定位，在进 行室内定位时存在固有定位精度问题，所以必须通过其他定位技术解决 室内定位问题，如红外线、8 0 2l l 、超声波和r f i d 等等，这些系统各有 优缺点。其中r f i d 技术由于其非接触和非视距等优点已成为为优选的定 位技术，r f i d 系统可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，其传输 范围很大，成本较低，因此备受关注。 1 红外线 o l i v e t t i 研究实验室的a c t i v eb a d g e l 2 3 j 系统采用红外线技术实现室内 北京交通大学硕l j 号位硷文第一章绪论 定位。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很 差。 2 超声波 c r i c k e tl o c a t i o n s u p p o r ts y s t e m 和a c t i v eb a t 是采用超声波定位 的两个典型例子，它们采用超声波时延信息进行定位。其优点在于整体 定位精度较高。c n c k e t 可以对4 t 4 英尺的区域进行精确定位，而a c t i v eb a t 对于b a t 定位时，在o 9 5 概率条件下的定位精度可以达到9 c m 。但是随着 定位精度要求的提高，这些系统需要大量的底层硬件设施投资，成本高。 3 i e e e 8 0 2 1 1 采用标准的i e e e8 0 2 1 1 网络的经典室内定位感知系统是r a d a r 系 统1 ”t 2 5 1 2 6 l 。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，其主要 优点在于易于安装、需要很少基站和采用相同的底层无线网络结构。但 是，到目前为止，系统总精度不尽如人意。比如，凡r d a r 系统中物体 以0 5 0 的概率分布在3 米范围，而相同概率条件下的信号分布精度为4 f 3 米。 4 光学影像 m i c r o s o f t 研究院开发的e a s yl i v i n g 驯位置感知系统。该系统使用实 时的3 d 照相机在居家环境中提供立体视角的定位。e a s yl i v i n g 系统能够 追踪室内的各种物体，在图片分析时需要大量的处理功率。该系统的定 位精度受到视觉技术分析精度的影响。此外系统需要非常高的图片处理 能力，这限制了视觉定位系统在很多应用的推广。 5 射频识别( r f i d ) 采用该技术的典型代表是s p o t o n m 2 ”。该系统基于信号强度分析， 发展了一种聚合算法对三维空间进行定位。s p o t o n 系统中硬件标签网络 状分布，无需中央控制单元，通过标签测试到的信号强弱来表征标签之 北京交通夫学硕士学位论文第一章绪论 间的几何距离。但是，完整的s p o t 0 n 系统到目前为止还没有建成。另外， p i n p o i n t c o 销售一种基于r f i d 技术的室内定位的3 d i d 的商品。3 d i d 类 似于s p o t o n 的思路，采用无线局域网络技术进行定位。该系统具有相当 好的定位精度，而且该系统可调性较强，但是系统投资较大。值得一提 的是，l a n d m a r c i l6 i 系统通过引入参考定位标签，并根据不同标签之 间的残差加权算法，可以获得较高的定位精度。 除了以上这些，还有许多系统采用其他定位技术，如u w b l 3 0 l 、 b l u e t o o t 1 卧”j 等等。图l 一4 显示了不同定位技术的精度和发展状况。横轴 为定位精度，纵轴自上而上为定位技术从当前到未来的发展状况。 图l - l 不同定位技术精度和发展状况 1 4 本文研究思路与内容安排 本文对基于i 冰i d 的室内定位感知系统进行了初步研究。定位感知系 统是定位系统与位置服务系统两者的紧密结合。因此，研究定位感知系 统应这两个方面入手。与室外定位已有相对成熟的技术如g p s 不同，在 室内定位领域一直以来缺少定位精度高且易于好施用的定位解决方案。 随着r f i d 技术的出现，因其具有非接触、非视距传播、定位精度高等优 北京交通大学硐士学位论文 第一煮绪论 点，室内定位问题有望得到更好的解决。本文正是基于r f i d 技术，从定 位算法和系统模型两个角度对定位感知系统进行了研究。本文研究内容 主要包括：对室内定位技术进行了分类比较，介绍了射频定位的基本算 法和常用的定位方案；提出了三维r f i d 室内定位算法并对其进行了程序 仿真；最后，设计并实现r f i d 室内定位感知原型系统。 论文的章节安排如下： 第二章射频识别原理与室内定位 首先介绍了射频识别系统的组成及工作原理，接着从定位粒度等多 个角度对室内定位技术进行分类比较，最后介绍了射频定位的基本算法 和常用方案。 第三章三维r f i d 室内定位算法 在分析l a n d m a r c 算法的基础上，提出基于a o a 技术的射频室内 定位算法，并通过仿真表明采用该算法的定位精度更高，而且可以完成 对物体的三位立体定位。 第四章r f i d 室内定位感知系统模型 本章在进行了详细需求分析的基础上，提出了基于c o r b a 的多层分 布是定位感知系统以及系统的物理架构，为了更好理解提出此系统，本 文设计三种定位感知系统的应用环境，对每种应用都做了简单的介绍。 第五章定位感知系统实现 本章分别从用户层、监控端和逻辑业务层对r f i d 定位感知原型系 统进行了详细设计，特别逻辑业务层的异步消息机制以及各个模块的 i d l 接口进行结合代码的详实描述。 第六章结论部分 给出了本文的主要结论。总结了本文的主要工作，并指出了可以进 一步展开研究的问题。 北京交通人学倾十学位论文 第章射频识剐原理与室内定链 第二章射频识别原理与室内定位 本章首先对射频识别系统的组成与工作原理进行了概述。接着从多 个角度对室内定位技术进行了分类比较。最后，介绍了射频室内定位的 基本算法以及常用的定位方案。 2 1 射频识别组成及其工作原理 r f i d 系统因应用不同其组成会有所不同，但基本都由电子标签 ( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和数据交换与管理系统口r o c e s s o r ) 三大部分组成。 电子标签，由藕合元件及芯片组成，其中包含带加密逻辑、串行e e p r o m 、 微处理器c p u 以及射频收发及相关电路。电子标签具有智能读写和加密 通信的功能，它是通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量 是由阅读器发出的射频脉冲提供。阅读器，有时也被称为查询器、读写 器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组 成。阅读器可将主机的读写命令传送到电子标签。再把从主机发往电子 标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。数据交换与 管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制等。 r f i d 系统的工作原理如下：阅读器将要发送的信号，经编码后加载在 某一频率的载波信号上经天线向外发送，进人阅读器工作区域的电子标 签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、 孵密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻 辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天 线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送 至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻 北京交通夫学硕士学位论文第二章射频识别原理与室内定位 辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写e e p r o m 中的内容进行改 写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。r f i d 基本原 理框图如图1 2 所示。 阅读器电子标签 接控 读 接控读 口制 毳 天天口制写 线线 模模模模模 块块块块块块 图2 1r f i d 系统基本原理框图 在r f i d 系统中，阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的 能量场以激励电子标签。在当前有关的射频约束下，欧洲的大部分地区 各向同性有效辐射功率限制在5 0 0 m w ，这样的辐射功率在8 7 0 m h z ，可 近似达到0 7 米。美国、加拿大以及其他一些国家，无需授权的辐射约束 为各向同性辐射功率为4 w ，这样的功率将达到2 米的阅读距离，在获得 授权的情况下，在美国发射3 0 w 的功率将使阅读区增大到5 5 米左右。 2 2 室内定位技术的分类 目前，有多技术应用到室内定位领域，本节通过分类比较，分析了 各种技术的优势与不足，为设计r f i d 室内定位算法提供更多的借鉴。 2 2 1 物理定位与符号定位 定位系统可提供两种类型的定位结果：物理位置和符号位置【3 3 1 。 倒如，2 2 。3 2 7 1 7 ”n ，1 1 2 0 2 8 1 3 ”w 就是物理位置；而建筑物的1 2 号房间 北京交通大学硕士学位论文 第二章射频识别原理与室内定位 就是符号位置。一定条件下，物理定位和符号定位可以相互转换与物 理定位相比，符号定位更适于某些特定的应用场合，例如，在安装有无 线烟火传感器网络的智能建筑物中，管理者更关心某个房间或区域是否 有火警信号，而不是火警发生地的经纬度大多数定位系统和算法都提 供物理定位服务，符号定位的典型系统和算法有a c t i v eb a d g e l 2 3 l 、微软 的e a s yl i v i n g 2 9 1 等，m i t 的c r i c k e t 定位系统1 1 5 | 则可根据配置实现两种 不同形式的定位。 2 - 2 - 2 绝对定位与相对定位 绝对定位郾与物理定位类似，定位结果是一个标准的坐标位置，而 相对定位| 2 8 1 通常是以网络中部分节点为参考，建立整个网络的相对坐标 系统绝对定位可为网络提供唯一的命名空间大多数定位系统和算法都 可以实现绝对定位服务，典型的相对定位算法和系统有s p a l p s f 3 4 】，s p o t 0 n 阻2 射，而m d s m a p 定位算法阁可以根据网络配置的不同 分别实现两种定位。 2 2 3 紧密耦合与松散耦合 紧密耦合【3 6 l 定位系统是指节点不仅被部署在固定的位置，并且通 过有线介质连接到中心控制器；而松散耦合【3 6 1 型定位系统的节点采用 无中心控制器的分布式无线协调方式。 典型的紧密耦合定位系统包括a t & t 的a c t i v eb a t 系统口4 1 和a c t i v e b a d g e l 2 3 | 等。它们的特点是适用于室内环境，具有较高的精确性和实时 性，时间同步和锚节点间的协调问题容易解决。但这种部署策略限制了 北京交通大学硕学位论文第二章射颇识别原理与室内定位 系统的可扩展性，代价较大，无法应用于布线工作不可行的室外环境。 近来提出的许多定位系统和算法，如c r i c k e t i l 5 l 等都属于松散耦合型 解决方案。它们以牺牲紧密耦合系统的精确性为代价而获得了部署的灵 活性，依赖节点问的协调和信息交换实现定位。这种分类方法与基于基 础设施和无须基础设施1 3 4 】的分类方法相似，所不同的是，后者是以整 个系统除了传感器节点以外是否还需要其他设施为标准。 2 2 4 基于测距技术的定位和无须测距技术的定位 r a n g e b a s e d 定位通过测量节点间点到点的距离或角度信息1 3 7 1 ，使 用三边测量( t r i l a t e m t i o n ) 、三角测量( t r i a l l g l l l a t i o n ) 或最大似然估计 ( m u l t i l a t c r a t i o n ) 定位法计算节点位置；r a n g e - f r e e 定位则无须距离和角 度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现。 r a n g e b a s e d 定位常用的测距技术有r s s i 【3 8 】，1 0 a f 2 4 】，t d o a 和 a o a f 4 0 ，4 。 1 r s s i ( r c c e i v e ds i g n a is t r e n 斟hi n d i c a t o r ) r s s i 定义为由接收器接收到的信号强度指示所测得的电压 ( v o l t a g e ) 。通常，r s s i 等价于被测量的功率，即信号强度的平方。r s s i 可以认为是超声波、r f 或其他信号。r s s i 测量在硬件上是相当便宜和简 单的。在定位研究中，这种方法是极为重要和普遍的。然而r s s i 测量却 是不可预测的。如果将它应用在具有鲁棒性的定位系统中，必须明确它 的错误来源。 ( 1 ) r s s i 的主要问题 在自由空间中，信号功率的衰耗正比与d 2 ，d 是发送器和接收器之 间的距离。在真实的信道中，多径信号以及百区是两个主要的与环境相 北京交通大学硕士学位皓文笫二章射频识别原理与室内定位 关的错误来源。多个具有不同幅度和相位的信号到达接收器，并且这些 信号还要加上作为频率函数的引起频率选择性衰落。这些类型的衰落可 以采用频率扩展的方法来减小。 假定频率选择性影响已经减少，在r s s i 测量中，与环境相关的错误 是由盲区( s h a d o w i n g ) 引导起的，这些信号必须在发送器和接收器的路径 上进行穿越或衍射。盲区的模型是随机的。r s s i 可以认为：在很多配置 环境的信号群( e 1 1 s e m b l e ) 中是随机的。 ( 2 ) 统计模型 典型的，信号群( e n s e m b l e ) 是在现实世界中接收到的功率的平均，受 阻信道延时与成比例，这里d ，这里h 。是路径损耗指数，典型值为2 4 。 在距离d 的信号群平均功率可以用下列模型来表述： p ) = 晶一1 0 n 。i o g 导这里r 是在最短参考距离盛接受到的功率( d b m ) 0 测量接收到的功率与其信号群( e n s e m b l e ) 平均的差异，由于盲区的随机 性，因此，它是对数正态分布的( 即g a u s s i a n 分布) 。对数正态模型是基于 测量结果的大范围变化的。接收功率的标准偏差a 。，可以用裆为单位 来表示，并且在距离上是相当固定的。典型地，口k 最小是4 ，最高是1 2 。 因此，在由传感器，p ，发送的，在传感器f 接收到的功率( d b m ) 可以 表示为：厂把，= p l 目) = g ，芦0 。l 盯孟) 这里的( e 弘z ) 我们在 z g a u s s i a n 概率密度函数，并具有平均y 和方差z ，e 表示值是坐标矢量参 数，并且实际的发送器和接收器之间距离吐，由下式给定： 4 ，= 、l i = i f i 瓦= i f 对数正态模型最重要的结果是基于r s s i 的 范围估计的方差正比于其实际范围。 北京交通大学硕 一学位论文第二章射频识别原理o l 室内定位 2 。i o a ( t i m eo fa r r i v a l j t o a 是测量到的首先达到接收器的信号时间。被测量的7 r o a 是传输时 间加上包括时间时延的传播时间。在发送器i 和接收器i 之间的时间延时 f ，等于收发器之间的距离除以传播速度v ，。该r f 速度大约是声音速度 的1 0 。倍。 基于时间技术的基础是接收器在视距( l o s l 中准确估计信号的到达 时间。这种估计会受到加性噪声和多径信号的影响。即使在没有多径信 号影响的情况下，到达时间的准确性也会受到加性噪声的影响。 ( 1 ) t o a 的问题 e a r l y a r r i v i n gm u l t i p a t h 效应。很短的时间内可能有多个多径信号到 达，它们都会对l o s 信号中的峰值位置产生交叉相关模糊。在密集的传 感器网络中，每对传感器都可以测试t o a ，这种方法的明显的优点是可 以测量近距离邻居之间的t o a 。由于路径长度下降，l 0 s 信号功率通常 会增高。通常，需要有更宽的信号带宽来获得更大的临时分辩率。自动 交叉函数的峰值宽度与信号带宽成反比。窄带自动交叉峰值增强了信号 到达时间的准确性，并且可以帮助将l o s 信号交叉函数从最早到达的多 径信号中分离出来。在高带宽t o a 测量中，比较流行的技术是宽带直序 扩频( d s s s ) 或u w b 技术。然而，带宽越宽要求信号处理速率越快、更 高的设备开销也可能会引起更多的能量消耗。i e e e 8 0 2 1 5a l t e r n a t i v e p h yt a s kg m u p 3 aq u o t e 标准建议的接收器功率消耗是2 0 0 m w 。虽然，高 速电路要求更高的能量消耗，可以利用额外的带宽来降低时间平均的功 率消耗。在更少的时间内传送数据分组意味着在s t a n d b y 方式中花费了更 多的时间。 最后，注意，在发送器和接收器硬件和软件之间的时间延时会加到 1 4 北京交通大学颂上学位论文第二章射频识别原理与室内定位 测量的t o a 上。当延时已知的情况下，多径组成规范和响应次数的变化 将是t o a 变化的另一个问题。 ( 2 ) 统计模型 对短距离的测量，被测量的延时可以粗略地用g a u s s i a t l 来建模： ，= ，i 口) = 0 ，d 。，。+ 7 1 ，口；j ( 2 1 ) 这里丁和口2 是时间延时错误的均值和方差，在( 1 ) 式中定义了o ，d ， 是由a o a 的距离表示式给定的，v 。是传播速度。 3 a o a ( a n g l eo fa r r i v a l ) a o a 的方法是根据邻居传感器的方向来确定其位置的方法。a o a 的 方法作为t o a 和r s s i 定位提供了一种辅助的手段。 目前有两种a o a 的技术。一种是使用传感器阵列，在传感器的节点 上采用所谓的阵列信号处理技术。在这种方式中，每个传感器节点与两 个或更多个独立的传感器进行已知位置的比较。另一种方法是：采用固 定在传感器上的两个或多个有向天线的r s s i 比率来进行a o a 估计。 两种a o a 的方法都要求有多个天线，这就要求有更多的传感器设备 开销以及数量。然后，已经要求在设备中有超声波传感器阵列来进行环 境监视以及安全应用，其中，传感器网络的目的是标识和定位超声波源。 r f 天线阵列意味着大量的设备，除非中心频率很高。然而，可用的带宽 以及降低制造费用可以使这种想法变成现实。例如在6 0 0 h z 由于氧吸 收可以帮助降低多径的影响，因此，可以大大的削弱多径的影响。 a o a 的限制因素与t o a 相同，也是加性噪声和多径的影响。 除上述测距技术的局限性以外，m g e - b a s e d 定位机制使用各种算法 来减小测距误差对定位的影响，包括多次测量【4 3 】。循环定位求精即】，这 些都要产生大量计算和通信开销。所以，r a n g e b a s c d 定位机制虽然在定 北京交通大学硕士学位论文第二章射频识别原理与室内定位 位精度上有可取之处，但并不适用于低功耗、低成本的应用领域。 因功耗和成本因素以及粗精度定位对大多数应用已足够，r a n g e f r e e 定位方案倍受关注d v - h o p 阢2 8 1 、凸规划 4 2 1 4 3 1 和m d s m a p 等就是典 型的r a n g e f r e e 定位算法，其中m d s m a p 还可以在r a i l g e _ b a s e d 条件f 实现更精确的定位。 2 2 5 粗粒度与细粒度 依据定位所需信息的粒度司将定位算法和系统分为两类：根据信号 强度或时间等来度量与锚节点距离的称为细粒度定位技术【4 钔；根据与 锚节点的接近度( p r o x i m i t y ) 来度量的称为粗粒度定位技术【4 4 。其中细粒 度又可细分为基于距离和基于方向性测量两类。粗粒度定位的原理是利 用某种物理现象来感应是否有目标接近一个已知的位置，如a c t i v e b a d g e 吲等。 2 2 6 三角测量、场景分析和接近度定位 定位技术也可分为三角测量、场景分析和接近度3 类，其中三角测 量和接近度定位与粗、细粒度定位相似。而场景分析定位是根据场景特 点来推断目标位置通常被观测的场景都有易于获得、表示和对比的特 点，如信号强度和图像。场景分析的优点在于无须定位目标参与，有利 于节能并具有定的保密性；它的缺点在于需要事先预制所需的场景数 据集，而且当场景发生变化时，必须重建该数据集m a r 【1 7 ，2 5 ，2 q 系统f 基 于信号强度分析) 和m i t 的s m a nr o o m s 【4 6 l ( 基于视频图像) 就是典型的 场景分析定位系统。 北京变通人学硕士学位论文第f ：二章射频识别原理与室内定位 2 3 射频室内定位 目前，射频室内定位多采用的是r s s i 技术。下面将介绍基于r s s i 定位的基本算法与几个常用的定位方案，从而为本文后面提出定位算法 起到借鉴和对比的作用。 2 3 1 射频定位基本算法 在射频定位系统中，为了消除不同读写器对定位结果的误差，一般 采用相对定位的方式。选择其中一个读写器作为服务读写器，然后考察 待定位标签到不同读写器之间的距离差。一旦获得待定位标签到两个读 写器之间距离的测量值，就可以得到待定位标签到两个读写器之间的距 离差，多个读写器到待定位标签距离测量值就可以构成一组关于待定位 标签位置的双曲线方程组，求解该方程组就可得到待定位标签的估计位 置。 设b ，y ) 为待定位标签的待估计位置，g 。，y ，) 为第f 个读写器的已知位 置，根据几何知识，待定位标签和第j 个读写器之间的距离为： 胄，= 阮一x ) 2 + 化一y ) 2( 2 2 ) 令尺。表示待定位标签与读写器1 的距离差，则 r 叫= r ，一r l = 伍，一x ) 2 + 伍一y ) 2 一旺，一x ) 2 + 瓴一y ) 2( 2 3 ) 为求解该非线性方程组，可以先进行线性化处理。经过适当的数学变换 得： r 矗+ 2 置，l r l = k ，一2 置，l 茁一2 ri y 一世l ( 2 4 ) 其中x 1 = j ，一x 。，r ，= f i ，k ，= x ? 十r 2 。将工，y ，置视为未知数，上 北京文通大学顾十学位论文第二章射频识别原理与室内定位 式变成线形方程组，求解该方程组可以得到定位标签的位置。 1 具有解析表达式的算法 采用读写器相对定位技术对待定位标签进行定位估计时，有多种算法 可用于求解双曲方程组，下面首先介绍几种具有解析表达式解的算法。 一f a n g 算法 f a n g 【4 7 埤法利用3 个读写器对待定位标签进行二维位置定位。该算法 无需提供读写器到待定位标签距离测量值误差的先验信息，算法计算过 程简单明确，在实际应用中，其定位估计值中存在的模糊性可以通过有 关信息进行去除，该算法能得到基于距离差测量数据的最优解。当该算 法只能利用与未知坐标数目相同的距离差测量值，不能利用网络提供的 冗余距离差测量值，因此，若选中的某一距离差测量值中具有较大的随 机测量误差，将会影响算法的性能。 一c h a n 算法 c h a n f 4 8 】算法是一种具有解析表达式解的非递归的双曲线方程组解 法。该算法的特点是计算量小，在噪声服从高斯分布的环境下，定位精 度高。但在非视距( n l o s ) 环境下，c h a i l 算法的定位精度显著下降当读写 器数为3 时，可得到两个距离差测量值，对方程进行直接求解得到唯一确 定的位置解。 当读写器数为4 个以上，c h a n 算法能利用网络提供的所有距离差测量 值并取得更好的计算结果。但是，在多个读写器情况下该算法需要提供 距离差测量值误差的先验信息，这在实际应用中具有一定困难，而且该 算法还需提供一些有关待定位标签位置的先验信息以解决其解存在的模 糊性。此外，c h a l l 算法的推导过程都是基于距离差误差较小且为理想的 零均值高斯随机变量这个前提，因此可以预计，对于实际信道环境中误 差较大的距离差测量值，该算法的性能将受到很大的影响。 北京交通r 人学钡_ ：学位论文第二章射频识别原理与室内定位 f r i e d l a n d e r 算法 f r i e d l a l l d e r 【4 9 】算法中对距离差定位方程的求解主要采用了矩阵的 奇异值分解( s v d ) 来消除未知参数r 1 ，再利用最小二乘( l s ) 和加权最小 二乘( w l s ) 误差判据来求解定位问题，从而降低了计算复杂性。但是， 算法中由于没有考虑变量之间相互关系，因此只能得到次优解。 2 递归迭代算法 一泰勒序列展开法 泰勒序列展开法是需要初始估计位置的递归算法，在每一次递归