无线传感器网络定位解算毕业论文.doc

【摘要】定位通常是指确定地球表面某个物体在某一参考坐标系中的位置，无线定位作为定位的一个重要类型，最初也是应用于导航定位系统中。根据接收到的无线电导航台发射信号的强度、相位、时间、频率等参数的变化，用户通过一定的算法计算出自己的位置。当前，无线通信技术飞速发展，在新技术和市场需求的共同作用下，未来无线通信技术的传输熟虑更高，同时更具有安全性、智能性和灵活性，以及更好的传输质量和服务质量。多种多样的无线网络业务也越来越引起人们的关注，无线网络已从原来的互连设备转变成一种多业务承载平台，这其中，获取用户位置则成为实现各项增值业务的关键，各种基于位置信息的移动业务层出不穷。本文在介绍了现有无线传感器网络定位技术的基础上，介绍了无线射频技术RFID在定位技术领域中的应用，讨论了根据检测信号强度损耗模型基于距离与不基于距离的两大类算法。列举了定位的主要应用领域。论文着重对基于室内接受信号强度的定位技术进行了探讨。关键词：无线传感器网络；定位技术；射频识别技术；基于距离；不基于距离【Abstract】Positioning is usually refers to determine the surface of the earth, an object in a reference coordinate system, the position of the wireless location as an important type of location, first is also used in navigation and positioning system. According to receive radio beacon signal strength, phase, time, frequency, and the change of the parameters, the user through certain algorithm is out of his position.At present, wireless communication technology, rapid development in new technology and the market demand under the common function of, the future of wireless communication technology transfer, and at the same time is more deliberate higher security, intelligence and flexibility, and better quality and service quality of the transmission. DuoZhong variety of wireless network more business cause the attention of people, wireless network has from the original interconnection equipment into a business platform, among them, the bearing is a position for users realize all kinds of value-added business key, all kinds of location based mobile business information emerge in endlessly.This paper introduces existing in wireless sensor network positioning technology, on the basis of the introduction to the wireless rf technology in the field of RFID positioning technology, and discussed the application according to the test signal strength loss model based on distance and not based on the distance of the two categories algorithm. Lists the positioning of the main application fields. This paper mainly based on indoor accept signal strength to the location of the technology were discussed.Key Words: Wireless sensor network; Location technology; Radio Frequency Identification; range based;range free目录绪论- 1 -1.1 室内GPS定位技术- 1 -1.2 室内无线定位技术- 3 -2 射频识别技术（RFID）- 8 -2.1 射频识别技术（RFID）及其特点- 8 -2.2 RFID的组成- 9 -2.2.1电子标签- 9 -2.2.2阅读器（Reader）- 10 -2.2.3 天线（Antenna）- 11 -2.2.4 后台网络- 11 -2.3 RFID的分类- 11 -2.4 RFID的基本原理- 12 -2.5 RFID的基本工作流程- 13 -2.6 射频信号的耦合类型- 13 -3 无线传感器网络中的定位系统和算法- 15 -3.1 无线传感器网络定位系统和算法的定性分类- 16 -3.2 无线传感器网络的定位系统和算法评价标准- 17 -3.3 无线传感器网络定位技术及算法简析- 18 -3.3.1 基于距离的定位算法及定位技术- 18 -3.3.2 距离无关的定位算法定位技术- 19 -3.4 无线传感器网络典型定位系统- 21 -4 基于测距的无线网络定位方法- 23 -4.1 无线电传播路径损耗模型分析- 23 -4.2 计算过程- 24 -4.3 Euclidean定位计算- 26 -4.4 加权质心定位计算- 27 -4.5 算法过程- 28 -5基于非测距的无线网络定位方法- 32 -5.1 LANDMARC- 32 -5.2 LANDMARC 算法改进- 33 -5.3 VIRE算法- 34 -5.4 算法过程- 35 -5.5 实验数据- 35 -6. 总结- 38 -6.1 总结- 38 -6.2 展望- 38 -致谢- 40 -参考文献- 41 -绪论随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如 WiFi、WiMax、ZigBee、Adhoc、BlueTooth 和 Ultra Wide Band(UWB)，在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活的方方面面得到了广泛应用，基于无线网络的定位技术的应用更加具有广阔的发展前景1。除了全球定位系统(GPS)在导航和室外环境的应用定位以外，人们对室内定位、短距离定位等应用不甚了解。未来无线定位技术的趋势是室内定位与室外定位相结合，实现无缝的、精确的定位。无线定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线、超声波、射频信号等。红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室内环境。GPS 是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是20世纪70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要利用几颗卫星的测量数据计算移动用户位置，即经度、纬度和高度。一般用于车辆导航和手持设备。2在此基础上，还出现了增强型 GPS，辅助GPS 等技术，它们可以广泛用于航空、航海和野外定位等领域。利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，定位导航信号免费；缺点是定位信号到达地面是较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位，此外定位器终端的成本较高。GPS 所能达到的定位精度范围在5m-20m。随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术(如伪卫星等)，无线定位技术(无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等)，其它定位技术(计算机视觉、航位推算等)，以及GNSS和无线定位组合的定位技术(A-GPS或A-GNSS)。1.1 室内GPS定位技术3GPS是目前应用最为广泛的定位技术。当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，A-GPS技术为这个问题的解决提供了可能性。室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时也有助于实现快速定位。利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。图1-1 GPS定位示意图目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。其缺点是需要移动台内置GPS天线和 GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC；定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。1.2 室内无线定位技术随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带等，在办公室、家庭、工厂等得到了广泛应用。红外线室内定位技术。红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。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。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。超声波定位技术。超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。超宽带技术。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。 Wi-Fi技术。无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低，但Wi-Fi收发器只能覆盖半径90m以内的地理区域，很容易受到其他信号干扰，从而影响定位精度，并不十分可靠，而且定位器的能耗较高。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wi-Fi进行室内定位的软件。Wi-Fi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近，而不是依赖于合成的信号强度图，那么在楼层定位上很容易出错。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在 PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。蓝牙技术应用于定位，与Wi-Fi有很多相似之处，主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库；其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。UWB技术。UWB由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来无线定位技术的热点。UWB是一种高速、低成本和低功耗新兴无线通信技术。UWB信号是带宽大于500MHz或基带带宽和载波频率的比值大于0.2的脉冲信号(UWBWG,2001)，具有很宽的频带范围，FCC规定UWB的频带从3.1GHz10.6GHz，并限制信号的发射功率在-41dBm以下。由此可见，UWB聚焦在两个领域的应用上，一是符合IEEE802.15.3a标准的短距离高速数据通信，即无线无延迟地传播大量多媒体数据，速率要达到1OOMbit/s-500Mbit/s；另一个是符合IEEE802.15.4a的低速低功率传输，用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、工业自动化、传感器网络、家庭/办公自动化、机器人运动跟踪等。UWB信号的特点说明它在定位上具有低成本、抗多径干扰、穿透能力强的优势，所以可以应用于静止或者移动物体以及人的定位跟踪，能提供十分精确的定位精度。除了以上提及的定位技术，还有基于计算机视觉4、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外，还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段，如基于磁场压力感应进行定位的技术。不管是GPS定位技术还是利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位都有其局限性。未来室内定位技术的趋势是卫星导航技术与无线定位技术相结合，将GPS定位技术与无线定位技术有机结合，发挥各自的优长，则既可以提供较好的精度和响应速度，又可以覆盖较广的范围，实现无缝的、精确的定位。由此可见，随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加，无线定位技术必须克服现有技术的缺点，满足以下几个条件：a)高抗干扰能力；b)高精度定位；c)低生产成本；d)低运营成本；e)高信息安全性；f)低能耗及低发射功率；g)小的收发器体积。常用的室内定位技术有红外线定位、超声波定位、基于IEEE802. 11无线定位和射频识别RFID 定位技术等。RFID技术由于其非基础和非视距等优点成为优选的定位技术。在本文中将主要针对射频识别技术的无线定位进行研究。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。现主要应用于物流和供应管理 、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制/电子门票、道路自动收费等领域。现有的无线定位技术根据定位机制的不同, 无线定位可以分为基于距离(range-based)的定位算法和距离无关(range-free)的定位算法两类。前者需要测量相邻节点间的绝对距离或方位, 并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置; 后者无需测量节点的绝对距离或方位, 而是利用节点间的估计距离计算节点位置。基于测距的定位机制利用到达时间延迟TOA ( time of arrival)、信号到达时间差TDOA( time difference of arrival)、信号到达方向DOA( directional of arrival)和接收信号强度RSSI( receive signal strength)来估计距离或来波方向, 然后使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法等计算未知节点位置, 如SDP 算法、MDS MAP 算法和ILS算法等。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息, 或无需直接测量这些信息, 仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位, 如质心法、DV-Hop 法、无定形算法、APIT算法。对定位算法的性能评价指标主要有定位精度、节点密度、容错和自适应性、功耗和代价、网络规模等几个部分。RSSI利用已知发射信号强度，接收节点根据收到的信号强度，计算信号在传播过程中的损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。在无线传感器网络中，理论上通过4个锚节点的RSSI信息就可用三边测量法决定一个未知节点的空间位置。在实际应用环境中，由于无线信号对于复杂环境的适应能力较弱，这种方法的精确度不高。但是其借助的硬件设备较少，而且很多无线通信模块都可以直接提供RSSI值。因此，基于RSSI的测距方法还是被广泛应用的。综合以上因素以及结合现有的设备, 本文选用基于RSSI 测距的定位方式，结合三角形定位算法和加权质心定位算法进行对比计算。与此同时，目前比较成熟的RFID室内定位方案有Spot ON、3D-iD pinpoint和LANDMARC。以上这三种RFID室内定位方案都是采用射频信号强度( RSSI) 数据作为定位依据。基于RSSI测距是一种廉价的测距技术。RSSI测量在硬件上是相当便宜和简单的, 且原则上只要芯片之间能够通信, 就能够估测出二者之间的距离, 因此其应用范围十分广泛。其中LANDMARC系统引入参考标签来辅助定位, 稳定、受环境变化的影响较小、成本较低、定位精度较高。由于考虑了全局的参考标签, 采用LANDMARC 算法的RFID定位技术实时性较低, 通常情况下是采取每30s实现一次追踪定位的策略, 然而在追求更高定位性能的应用中, LANDMARC算法还不能满足实际需求。本文致力于减少LANDMARC算法无关的计算量的同时保持甚至提高定位精度, 提出一种利用对射频信号强度调制进行定位区域的细化的策略来消除距离待定位标签较远的读卡器和参考标签对定位计算的影响。虽然本算法对于应用环境和标签有一定的要求, 但是对于应用在更注重相对稳定的室内环境中获得更佳的定位性能RFID定位系统, 本算法具有一定的优势。2 射频识别技术（RFID）2.1 射频识别技术（RFID）及其特点Radio Frequency Identification （RFID）通称电子标签技术，也称射频识别技术，是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。它作为以综合乃个快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，被列为21世纪十大重要技术之一。RFID技术通过对实体对象（包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装、生产零部件等）得唯一有效标识，被广泛应用于生产、零售、物流、交通等各个行业。射频识别技术通常是以微小的无线收发器为标签（Tag）来标志某个物体，这个物体在RFID技术中常称为对象（Object）。标签上携带一些关于这个对象的数据信息。作为标签的无线收发器通过无线电波将这些数据发射到附近的阅读器（Reader）。阅读器可以对这些数据进行收集和处理，并且可以通过计算机和网络传送它们。图2-1 自动识别方法综合示意图射频识别技术是一种易于操控、简单实用且特别适用于自动化控制的应用技术，起基本原理是利用射频信号耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。其特点是利用无线电波来传送识别信息，不受空间限制，可快速地进行物体追踪和数据交换。工作时，这种电子标签与阅读器的作用距离近可以小雨1cm，远可以达到数十米甚至上百米。通过这种对对象进行非接触式信息采集处理的方式，可实现对各类物体（如设备、车辆和人员）在不同状态（高速移动或静止）下的自动识别，从而实现对对象的自动化管理或控制。它存放的识别信息是数字化的，因此通过编码技术可以方便地实现多种应用。还可以容易地对多标签、多阅读器进行组合健忘，以完成大范围的系统应用，并构成完善的信息系统。由于采用RFID电子标签的技术可免除物体跟踪过程中的人工干预，在节省大量人力的同时可以大大提高工作效率。2.2 RFID的组成射频识别是通过无线传送的数据来检测和识别带有标签的物体。因此RFID的基本硬件组成部分是标签（Tag）、阅读器（Reader）还有天线（Antenna）；软件组成包括RFID系统软件、中间件和应用软件等后台网络。图2-2 RFID组成2.2.1电子标签电子标签是射频识别系统中的重要部件，主要由天线和芯片两部分组成，芯片主要由存储器、控制器、编码器、调制器等组成，其中电源根据标签的发射功率选配。作为被识别物的”身份卡”，附着在标识目标对象上，是RFID的信息载体，其可以根据需要做成各种样式，但无论做成何种样式在其内部都存储着独立且唯一的电子编码，使得它能区分不同的被标识物。电子标签根据不同的分类方法，可以分为许多种类。按工作频率的不同可分为低频、高频、超高频；按供电形式可以分为有源标签、无源标签、半无源标签；按调制方式不同可以分为主动式、被动式、半被动式。图2-3 RFID电子标签2.2.2阅读器（Reader）阅读器是RFID系统的关键终端，它通过天线向电子标签发送射频调制信号，同时通过天线接收从电子标签返回的载有信息的射频调制信号，经处理后传给中间件或应用系统。典型的阅读器终端由天线模块、射频模块、控制块模、I/O接口等组成。射频模块负责接收射频信号和发送包含数据的射频信号；控制模块可通过控制本振来调整射频模块发射和接收频率，对发送数据进行编码调制，对接收进行数据解码、校验，并通过数据处理将数据转化为标准格式通过I/O接口发送给应用系统；应用系统通过向阅读器发出读取命令，作为响应，阅读器控制模块通过一系列动作，调整射频模块参数，通过天线模块使阅读器和电子标签之间建立通信，完成信息交互。根据不同的应用，各种阅读器在结构和形式上也是千差万别。大致可分类如下：固定式阅读器、工业阅读器、便携式阅读器以及大量特殊结构的阅读器。图2-4 阅读器的原理组成阅读器一般完成如下功能：1）阅读器与电子标签之间的通信，在规定技术条件下，阅读器与电子标签之间可以进行双向通信；2）阅读器与计算机之间可以通过标准接口进行通信（如，RS232/RS458、RJ45 、WLAN802。11），并提供阅读器识别码、读出电子标签衬里时间及该标签的信息；3）能够同时识别多个电子标签，具备防冲撞功能；4）适用于固定和移动标签的识读；5）能够校验读写过程中的错误；6）对于有源系统，阅读器可以标识电池相关信息；7）能有效控制电子标签，并具备一定的安全防护措施。2.2.3 天线（Antenna）天线在标签和阅读器之间传递射频信号。2.2.4 后台网络后台网络是整个RFID系统的控制和管理中心，它由网络设备、信息数据中心以及用于管理和控制的应用系统组成，其可以通过API函数接口与RFID读写器建立连接，实现数据通信和功能调用。2.3 RFID的分类（1）按工作频率分为：低频（LF，频率范围为30300kHz）：工作频率低于135kHz，最常用的是125kHz；高频（HF，频率范围为330kHz）：工作频率为13。56MHz7kHz；特高频（UHF，频率范围为300MHz3GH在）：工作频率为433MHz，866960MHz和2。5GHz；超高频（SHF，频率范围330GHz）：工作频率为5。8GHz和24GHz，但目前24GHz基本没有采用。其中，后3个频段为ISM（Industrial Scientific Medical）频段。ISM频段是为工业、科学和医疗应用而保留的频率范围，不同的国家可能会有不同的规定。UHF和SHF都在微波频率范围内，微波频率范围为300MHz300GHz。在RFID技术的术语中，又是称无线电频率的LF喝HF为RFID低频段，UFH和SHF为RFID的高频段。RFID技术涉及无线电的低频、高频、特高频和超高频频段。在无线电技术中，这些频段的技术实现差异很大，因此可以说，RFID技术的空中接口覆盖了无线技术的全频段。（2）按供电形式分类依据射频标签工作所需能量的供给方式，可以将RFID系统分为：有源、无源和半有源系统。“有源”是指内置有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、提及较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；“无源”指内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为内部电路供电，其作用距离相对有源较短，但寿命长且工作环境要求不高。（3）根据标签的数据调制方式分类标签的数据调制方式即标签是通过何种形式方法与读头之间进行数据交换，据此RFID可分为主动式、被动式和半主动式。主动式标签用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器；被动式标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为阅读器可以确保只激活一定范围之内的标签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，阅读器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的标签主要用于有障碍物的应用中，距离更远（可达100m）。（4）根据标签的可读性分类射频标签内部使用的存储器类型不一样，可以分为可读写卡(RW)，一次写入多次读出卡(WORM)和只读卡(RO)，只读卡标签内一般只有只读存储（ROM）和随即存储器（RAM）和缓冲存储器，而可读写卡一般还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当条件下允许多次写入数据的功能。（5）根据RFID系统标签和读头之间的通信工作时序分类时序指的是读头和标签的工作次序问题，即是读头主动唤醒标（RTF， Reader Talk First）还是标签首先自报家门（TTF，Tag Talk First）的方式。一般来说，无源标签一般是TTF方式，TTF系统通信协议比较简单，防冲撞能力更强，速度更快。2.4 RFID的基本原理图2-5 RFID 的基本原理框图电子标签和阅读器之间通过天线架起空间电磁波传输的通道。通过射频信号的耦合将电子标签上的数据传送给阅读器。标签和阅读器之间的信息交互是采用询问-应答的方式进行的，因此必须有严格的时序关系，时序由阅读器提供。标签和阅读器之间可以实现双向数据交换，标签存储的数据信息采用对载波的负载调制方式想阅读器传送，阅读器给标签的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制等方法实现传送。图2-6 射频识别体统模型2.5 RFID的基本工作流程射频识别系统的基本工作流程是（针对无缘系统）：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡讲自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。2.6 射频信号的耦合类型无线射频识别操作中的一个关键因素是数据的传输转换，它发生在RFID标签与阅读器之间，成为耦合（Coupling）。这是通过天线进行的，RFID标签和阅读器都有各自的天线。在大多数无线射频识别系统中，耦合可以利用电磁波（反向散射），也可以利用磁（感应），所用的方法取决于应用需求，如成本的高低、尺寸的大小、适度速度、读取范围和精确度等。标签和阅读器之间的射频信号的耦合类型如下：电感耦合。（典型工作频率：125 kHz、255 kHz、13。56 kHz，典型1020cm）变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电磁反向散射耦合。（典型工作频率：433 kHz、915 kHz、2。45 kHz、5。8 kHz，典型310m）雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。3 无线传感器网络中的定位系统和算法无线传感器网络被誉为21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大技术之一，传感器节点定位技术是无线传感器网络多数应用中的关键支撑技术之一，在目标监测与跟踪、基于位置信息的路由等，节点的位置信息也是不可缺少的。作为一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络可以在广泛的应用领域内实现复杂的大规模见此和追踪任务，而网络自身定位是大多数应用的基础。本文介绍了无线传感器网络自身定位系统和算法的性能评价标准和分类方法，着重综述了今年来该领域具有代表性的算法及系统的原理和特点，并指出未来的研究方向。微电机系统（micro-electro-mechanism system，简称 MEMS ）、无线通信和数字电子技术的进步孕育了无线传感器网络（wireless sensor network，简称 WSN ）。通过部署大量传感器节点至目标区域，WSN 将改变我们与客观世界的交互方式。从军事应用、目标追踪、环境监测到空间探索，WSN 的未来应用将超出我们的想象力。对于大多数应用，不知道传感器位置而感知的数据时没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定时间”，实现对外部目标的定位和追踪。另一方面，了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，想部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡一集网络拖布的自配置。而人工部署和为所有网络节点安装 GPS 接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现。因此必须采用一定的机制与算法实现 WSN 的自身定位。图3-1 WSN系统结构无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算机技术和网络通信等各项技术。由传感器、感知对象和观测者组成了传感器网络的三要素，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观测。其应用已经由军事领域扩展到了医疗卫生、远程监控、环境监测、抢险救灾和工业等领域。WSN 结构如图3-1所示。大量传感器布置在监测区域内部或附近， 能通过自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐步地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对WSN 进行配置和管理，发布检测任务以及收集监测数据。图3-2 传感器节点结构3.1 无线传感器网络定位系统和算法的定性分类无线传感器网络包括大量的节点，对每个节点精确定位的布置是难以实现的。而缺少位置信息的传感数据，通常无法使用甚至没有意义。基于移动信标的未知节点定位有很多优点，如定位成本低、容易达到很高的定位精度、易于实现三维定位等。目前，无线传感器网络定位系统和算法的分类有以下几种：（1）绝对定位与相对定位。绝对定位于物理定位类似，定位结果是一个坐标位置，如经纬度。而相对定位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。（2）物理定位与符号定位。经纬度就是物理位置，而某个节点在建筑物得123号房间就是符号位置。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，符号定位适用于某些特定的应用场合。（3）集中式计算与分布式计算定位。集中计算是指把所需信息传送到某个中心节点，并在哪里进行节点定位计算的方式；分布式计算是指一来节点间的信息交换和协调，由节点自行计算的定位方式。（4）移动信标与固定信标定位。移动信标节点是一类装备了GPS或其他定位装置的可移动节点，它在移动的过程中周期性发布自己的位置信息。基于移动信标的未知节点定位有很多优点，如定位成本低、容易达到很高的定位精度、可实现分布式定位计算、易于实现三维定位等。而固定信标节点是一类装备了GPS或其他定位装置的不可移动节点。3.2 无线传感器网络的定位系统和算法评价标准从1992年 AT&T Laboratories Cambridge 开发出室内定位系统 Active Badge至今，研究者们一直致力于这一领域的研究。事实上，已有许多系统和算法能够解决 WSN 自身定位问题。但是，每种系统和算法都用来解决不同的问题或支持不通过的应用，他们在用于定位的物理现象、网络组成、能量需求、基础设施和时空的复杂性等许多方面有所不同。WSN 自身定位系统和算法的性能直接影响其可用性，如何评价他们是一个重要的问题，下面定性地讨论几个常用的评价标准。（1）定位精度。定位技术首要的评价指标就是定位精度，一般用误差值与节点无线射程的比例表示。例如，定位精度为20%表示定位误差相当于节点无线射程的20%。也有部分定位系统将二维网络部署区域划分为网格，其定位结果的精度也就是网格的大小，如微软的 RADAR , Wireless Corporation 的 Radio Camera 等。（2）规模。不同的定位系统或算法也许可在园区内、建筑物内、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或在一段时间内，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。例如，RADAR 系统仅可在建筑物的一层内实现目标定位，剑桥的 Active Office 定位系统每200ms 定位一个节点。（3）锚节点密度。锚节点定位通常依赖人工部署或GPS实现。人工部署的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而是用 GPS 定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着及时仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将增加10倍。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。（4）节点密度。在 WSN 中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。节点密度通常以网络的平均连通度来表示。许多定位算法的精度受节点密度的影响，如 DV-Hop 算法仅可在节点密集部署的情况下合理地估算节点位置。（5）容错性和自适应行。通常，定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。但在真实应用场合中常会有诸如以下的问题：外界环境中存在严重的多径传播、衰减、非视距（non-line-of-sight ，简称 NLOS）、通信盲点等问题；网络节点由于周围环境或自身原因（如电池耗尽、物理损伤）而出现失效的问题；外界影响和节点硬件精度限制早晨各节点或使用其他高精度的测量手段常常是十分困难或不可行的。因此，定位系统和算法的软、硬件必须具有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误、适应环境、减小各种误差的影响，以提高定位精度。（6）功耗。功耗是对 WSN 的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点电池能量有限，因此在保证定位精度的前提下，与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。（7）代价。定位系统或算法的代价可从几个不同方面来评价。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间。空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等。资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。上述7个性能指标不仅是评价 WSN 自身定位系统和算法的标准，也是其设计和实现的优化目标。为了实现这些目标的优化，有大量的研究工作需要完成。同时，这些性能指标是相互关联的，必须根据应用的具体需求做出权衡，以选择和设计合适的定位技术。3.3 无线传感器网络定位技术及算法简析无线定位技术是用来测量处于无线网络中移动物体(人和物)位置的测量方法或计算方法。节点定位算法分为两类: 基于距离(range based)的定位算法和距离无关(range free)的定位算法前者需要测量节点间的距离和角度信息，再使用三边测量法、三角测量法等来计算节点位置；后者仅根据网络连通性等信息实现节点定位，降低了对节点硬件的要求，但是定位误差也相应地有所增加。3.3.1 基于距离的定位算法及定位技术（1）TOA(Time of Arrival)到达时间（TOA）技术通过测量信号传播时间来测量距离。在两个节点时间同步的前提下，发送节点发送一个信号给接收节点,同时发送一个同步信息，告知接收节点信号发送的时间，接收节点接收信号的同时接收同步信号，并记录接收信号的时间。在已知信号传播速度的条件下，根据信号的传播时间来计算与发送节点间的距离，然后，利用三边测量或极大似然估计算法计算出节点位置。TOA的精确性高，但也要求节点间保持精确的时间同步，因此,对传感器节点的硬件和功耗的要求也相当高。TOA定位只需要收发节点的同步，对带宽的消耗小,适用于窄带系统的定位。在 TOA 方法中，若电波从锚节点到未知节点的传播时间为，电波传播速度为，则锚节点到未知节点的距离为。TOA 要求接收信号的锚节点或未知节点知道信号开始传输的时刻，并要求节点有非常精确的时钟。这种方式在绝大多数的WSM的应用中是很难实现的。（2）TDOA(Time Difference of Arrival)时间差（TDOA）是最为流行的一种定位方法， 在GSM和CDMA中应用广泛。事先确定接受端位置的三维坐标，通过测量同一信号到达任意两个接收端的时间差,或两种不同信号到达同一节点所产生的时间差，可以计算发射点与接收端的距离差。根据这个差值和两个接收端的位置构建一个双曲线，确定一个2D平面坐标，至少需要2个双曲线(TDOA值),3D环境则至少需要3个值。TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功