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无线定位技术与无线传感器网络技术
UWB定位技术属于无线定位技术的一种。无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法,即定位算法。目前最常用的定位技术主要有:时差定位技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)等。其中,TDOA技术是目前最为流行的一种方案,除了用于GSM系统,在其他诸如AMPS和CDMA系统中也广泛应用,UWB定位采用的也是这种技术。
UWB精确定位的主要思想是基于距离公式。根据定位的基本物理和几何条件,如果要定位一个三维坐标,至少需要4个参考点,建立4个方程来进行直接计算:其中,(x,y,z)和(xi,yi,zi)分别表示需要定位的位置和参考点位置的坐标,to表示需要定位的位置发送信号的时间,是未知数,ti表示参考点位置的到达时间。利用时间差△tij=ti-tj,经过一系列代换,可以减**点和需定位坐标之间由于不同步带来的误差,实现差分的时间到达算法(TDOA),从而简化方程组求解。
在上述理论基础上,求待测点 坐标的问题就转换成了解四元二次方程组问题。解这个方程组,目前常用的解析算法是Fang算法,即完成上述代换后,可以先解出待测点坐标z的值。通常,方程有2个解,而期望的解只有1个。若所得的解没有物理意义或者超过了可测量的范围,就视其为无效解。为了提高有解的概率,可以设定5个参考点,这样就有5 个不同的组合,产生5组方程组,可以得到5组解,再从中选取最优的解。此外解析算法还有Chan算法、Friedlander算法等。
另一种求解方程组的算法基于最优化的思想,即根据以上建立的数学模型,将定位坐标的目标函数用Guass-Newton迭代算法或Quasi-Newton迭代算法求解。
通常,UWB定位系统设定几个定位参考点(根据实际需要),以接收待测点(数量上百)发出的高斯脉冲信号。为了避免信号发生碰撞,每个待测点都有自己的代码序列。当一个高斯脉冲中代码序列被参考点收到时,它将在一个时间整合相关器内与当前产生的一个对照序列作比较。当收到信号的位移与对照信号相吻合,即出现一个相关高峰信号。这样就容易判断是否收到正确的代码序列。处理接收到的脉冲序列得到接收时间,从而利用算法计算得到待测点的坐标。
上述系统存在许多误差源。发送端的误差包括待测点传送代码序列的处理时间、从MAC层到信道的等待时间以及在物理层比特的传输时间。空间传播误差主要是无线链路的传播环境带来的时延。接收端误差包括物理层比特的接收时间和代码序列传送到应用层的时间。此外,还有NLOS影响、接收噪声与参考点之间的同步以及求解方程带来的误差等,都是在设计系统时需要注意的问题。
目前美国海军已经开发了一种军用的UWB定位系统PAL
(Precision Asset Location),在L波段工作,瞬时带宽可以达到约400MHz。参考点使用高速隧道二级管检测器来进行UWB脉冲的边缘检测,从而可以实现在多径环境中找到第一个到达的脉冲信息,通过优化算法算出待测点坐标。待测点有一个短脉冲发射器,峰值输出功率约0.25W,数据包突发长度40bits,发送周期5s,发射器平均输出功率-79dB/MHz。这个功率比FCC规定的功率还要低38dB。该系统的试验已成功,它在大型集装箱货物环境下可以达到理想的定位精度,但是在小型货物定位时,精度不够理想,改进的PAL系统的商用化正在进行之中。此外,美国AetherWire公司已经开发出最先进的芯片Aether5和Driver2,它是基于COMS和UWB频谱开发的,具有体积小、功耗低、穿透力强,不易被察觉和定位精度高等特点,现已广泛用于消防、反恐等重大领域。
采用UWB进行无线定位,可以满足未来无线定位的需求,在众多无线定位技术中有相当大的优势,目前的研究表明超宽带定位的精度在实验室环境已经可以达到十几cm。此外,超宽带无线电定位,很容易将定位与通信结合,快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动UWB在定位技术的发展,而常规无线电难以做到这一点。虽然无线精确定位技术已有了多年发展,但目前超宽带技术正处于发展初级阶段,精确定位技术的商业化正在进行之中,定位算法还有待改进。随着超宽带技术的不断成熟和发展,市场需求的不断增加,相信不久超宽带定位技术就可以完全实现商业化,精确的超宽带定位系统将会得到广泛应用。
CSS技术是Chirp Spread Spectrum的简称,即线性调频扩频技术。这种技术以前主要用于脉冲压缩雷达,能够很好的解决冲击雷达系统测距长度和测距精度不能同时优化的矛盾。因此国内外的研究,一直局限在雷达领域。近年来,随着IEEE将CSS技术列为802.15.4a技术标准的底层实现方式之一,该项技术在通讯领域的应用才逐渐受到关注。
从信号特征上来说,CSS信号是一种扩频信号,发送脉冲信号的瞬时频率,在一个信息周期T内会进行线性的频率调整,并扫过一定的带宽,所以这是典型的扫频信号。
1)
CSS通讯是一种载波通讯技术,但和通常的正弦型信号载波不同,该信号是脉冲载波;
2)
CSS脉冲信号与UWB冲击脉冲信号不同,UWB冲击脉冲可直接携带信息;CSS运用一串脉冲携带信息,并在发送端进行调制后发出,接收端经过滤波压缩后提取信息;
3)
CSS信号最大技术特征是利用脉冲压缩技术,该技术使得接收脉冲能量非常集中,极其容易检测出来,提高了抗干扰和多路径效应能力;
4)
由于上述技术而使得接收机端可以直接捕获脉冲压缩,从而利用锁相环电路进行时间同步,且由于脉冲压缩技术有很好的抗频率偏移特性,并不需要进行频率同步;
5)
由于CSS信号在时域和频域上同时被扩展,使得信号频谱密度降低;又因为采用脉冲压缩技术,信号通过匹配滤波器获得较大的处理增益,使得整体功耗很低;
6)
CSS脉冲信号的产生过程,可以同时运用调频、调幅、调相等技术手段;
7)
CSS作为有载波的通讯手段,能够运用于载波UWB系统的开发,从而与目前基于冲击脉冲的UWB系统形成互补。
8)
CSS 技术使用一种特殊的调制方式,和自然界中海豚、蝙蝠发射的超声波很类似,只不过CSS是低功率的无线电波。
9)
目前其它用于定位的技术,例如ZigBee、WiFi等,使用接收信号强度(RSSI)来估算位置,无法达到高的精度,受环境影响极大。CSS 技术进行定位的原理是直接测量无线电波在空中的传播时间,其定位精度可达室外1m,室内2m。
CSS信号一般被称为切谱信号,台湾学者称为啁啾信号,英文Chirp Pulse。CSS的核心技术是源于雷达系统的脉冲压缩技术。根据该技术理论,带宽为B, 扫频时间为T的CSS信号,经过压缩匹配后,能量将基本集中在中心B/2的区域,而脉冲幅度将提高到 。因此脉冲能量将集中在一个很短的时间内。CSS信号经过压缩处理后,能量将集中在B/2区域内,且幅度有很大的提高。
在实际信号调制过程中,一般利用SAW器件(声表面波滤波器),通过激励脉冲触发出具有脉冲特性的CSS信号, 这些信号在信道中传输,并被接收端收到后,经过滤波器处理,获取脉冲压缩。由于接收端检测到的脉冲压缩信号中的噪音成分,解扩时已经在时域上被匹配滤波器展宽削弱或滤掉,这样就等于把宽带干扰转变成窄带干扰,且因有用脉冲幅值很大,很容易被检测到脉冲。
由于接收端可以运用脉冲压缩技术直接捕获高能量、高幅值脉冲,且抗频率偏移特性较好,实际通讯过程中能够不需要频率同步或者时间同步;这种检测时间精准的特性,为精确的距离测量提供了保证。在测距与定位系统中,接收机总是能够准确而快速的检测到脉冲到达的时间。
Zigbee是一种技术比较成熟的无线通信个域网技术。其主要特点如下:
Ø 功率比较低。由于传输速率低,发射功率仅为1mW。
Ø 成本较低。Zigbee协议是免专利费的。
Ø 时延比较短。响应速度快,从睡眠转入工作状态只需15ms,节点进入网络只需30ms,进一步节省了电能,故Zigbee技术适应于对时延要求苛刻的无线控制,如工业控制场合等应用。
Ø 速率比较低。工作在20~250kbit/s的较低速率,分别提供250kbit/s(2.4GHz)、40kbit/s(915Mhz)和20kbit/s(868Mhz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
Ø 距离比较近。传输范围10~100m,在增加发射功率后,可增加到1~3km(相邻节点的距离)。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离可以很远。
Ø 容量比较大。一个星型结构的Zigbee网络最多可容纳254个从设备和1个主设备,而且组网灵活。同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。
Ø 可靠性高,安全性高。Zigbee采取了碰撞避免策略,同时为需要固定贷款的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。Zigbee支持鉴权和认证,提供了3级安全模式,包括,包括无线安全设定、使用接入控制清单、防止非法获取数据集采用了高级加密标准(AES128)的对称加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
在物理层协议中,868MHz:信道带宽0.6Mhz,共1个信道,传输速率为20KB/s,适用于欧洲;
915MHz:信道带宽2MHz,总共10个信道,传输速率为40KB/s,适用于美国;
2.4GHz:信道带宽5MHz,总共16个信道,传输速率为250KB/s,全球通用。
Zigbee MAC层需要完成以下任务,产生网络信标、支持PAN的连接和断开连接,支持设备的安全性、信道接入采用CSMA/CA机制、处理和维护GTS机制、在对等的MAC实体之间提供一个可靠地通信链路。
WiFi是一种可将PC、手持设备等终端已无线方式互相连接的无线局域网技术。WiFi规定了物理层和媒体接入层,并依赖于TCP/IP作为网络层。伴随着WLAN在全球范围内的迅速普及,基于WLAN的无线定位系统越来越展现出广阔的应用前景。围绕定位算法、定位系统,学术界和工业界展开了大量的研究和开发,出现了一些定位算法和商用WLAN无线定位系统。然而种种研究表明现有的WLAN无线定位算法和系统还远不够理想,无论是精确度还是定位算法的有效性和复杂度都没有达到理想状况。而且这些定位系统主要针对传统无线局域网和无线交换(Wireless Switching)网络。
WLAN无线网络信号传输的一个基本特点是无线信号随着距离增大而不断衰减,因此可以通过测量无线终端接收到的AP的信号强度来计算其与AP的相对距离,达到定位的目的。目前,业界比较普遍的做法主要有3种:
a)
三角测量
该定位方法利用无线终端接收到的AP信号强度来计算终端与相邻AP的相对距离,再通过几何计算的方法,来确定无线终端最可能存在的区域,如图1所示。根据获取信号强度方式的不同,这类定位方法又可以分为基于网络的WLAN定位(即通过AP来采集无线终端的信号强度信息)和基于无线终端的WLAN定位(即由终端采集所需的信号强度信息并提供给定位系统)两种。但无论是何种方式,这种方法的本质在于建立信号传输模型,其定位精度取决于信号传输模型的准确性。然而,迄今为止,尚无精确的WiFi信号传输模型,因此虽然这种定位方法精度优于第一种“所关联AP”的方法,但还存在很大的局限性。同时,这一定位方法要求无线终端所在区域至少能监听到3个AP,而且理论上同时监听到的AP数目及对应信号强度值越多,定位的结果会越精确。
b)
最靠近的AP(所关联的AP)
该定位方法将无线终端所关联AP的覆盖区域作为对该无线终端的定位结果,是最简单也最不精确的定位方法。该方法仅适用于对精度要求不高的定位场景。
c)
RF指纹识别(RFFingerprinting)
该定位方法实际上是先建立一个WLAN所覆盖区域的信号热图,即部署完WLAN无线网络后,采集真实环境中各个位置的信号强度值(所能监听到的AP及对应的信号强度值);然后在定位时,将所得到的待定位无线终端的信号强度与信号热图进行比较,以确定该无线终端最可能出现的位置。相较三角测量基于信号传输模型来估算无线终端与AP间的相对距离,RF指纹识别具有更高的准确度,因为它使用的是真实采集的信号信息而不是根据经验公式来推算。然而,这种方法同样存在很大的问题:首先,信号热图的构建需要耗费大量的人力物力,实际上信号热图的完备度会影响到定位的精度。这点不难理解,因为如果任意一点无线终端可能出现的位置都事先“按了指纹”(提取了信号信息),那么定位无疑会很精确;然而在实际情况中却很难构建如此完备的信号热图。其次,WLAN无线信号时变特性导致预先采集的信号热图在某种意义上只具有“瞬时”有效性,而且所部署环境的变化都会导致信号热图或大或小的变化,使得需要重构信号热图。
目前,常用的一种定位方法是RSSI,基站要能够覆盖整个室内范围,当一个标签处于某个基站附近时,这个基站获得的信号强度最强,根据相近优先的原则,能够很容易地判断它的位置。如果某个标签移动到几个阅读器的重叠范围时,每个基站获得的信号强度不一致,对比信号强度能很精确地判断出待定位标签的具体位置,如图1所示。
RFID室内定位系统模型如图2所示,主要包括信息中心、阅读器、标签和被识别目标4个部分。
与传统的定位技术比较,RFID技术具有以下几个方面的突出优点:
1)非接触式操作,应用方便;
2)灵敏性好,它可以识别高速度运动的物体,并可以多个目标同时识别;
3)环境适应性强;
4)RFID标签上的信息可以进行重复的修改;
5)安全性高。RFID标签上储存的信息可以使用密码保护、加密算法等使其内容不易被伪造和改变。
RFID定位系统不需要卫星或者手机网络的配合,其精确度在于RFID读写器的分布,而读写器的分布可以由用户自身根据实际需要进行设置,很适合只需要在特定区域进行定位的用户,具有极高实用价值。
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。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。
蓝牙技术主要应用于小范围定位,例如单层大厅或仓库。
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。
GPS英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging
/ Global Position System”,其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”,简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。
GPS全球卫星定位导航系统,开始时只用于军事目的,后转为民用被广泛应用于商业和科学研究上。GPS空间部分使用了二十四颗卫星组成的星座,卫星高度约20200公里,分布在六条升交点互隔60度的轨道面上,每条轨道上均匀分布四颗卫星,相邻两轨道上的卫星相隔40度,使得地球任何地方至少同时可看到四颗卫星。
传统的GPS定位技术在户外运转良好,但在室内或卫星信号无法覆盖的地方效果较差,而且如果所在位置上空没有3颗以上的卫星,那么系统就无法从冷启动状态实现定位。
在移动通信网络中,通常有以下几种定位技术: 一是基于Cell ID的定位技术,它由网络侧获取用户当前所在的基站Cell信息以获取用户当前位置,其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小; 二是基于AFLT的定位技术,AFLT(Advanced
Forward Link Trilateration)是CDMA独有的技术,在定位操作时,手机/终端同时监听多个基站的导频信息,利用码片时延来确定到附近基站的距离,最后用三角定位法算出具体位置; 三是基于AGPS(无线网络辅助GPS定位技术)的定位技术,AGPS将终端的工作简化,由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作,就是将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。
而CDMA定位技术是美国高通公司为基于位置业务开发的定位技术,采用Client/Server方式。它将无线辅助AGPS和高级前向链路AFLT三角定位法两种定位技术有机结合,实现高精度、高可用性和较高速度定位。在这两种定位技术均无法使用的环境中,CDMA定位技术会自动切换到Cell ID扇区定位方式,确保定位成功率。
广域GPS卫星参考网络由多个高灵敏度GPS接收机组成,负责全天候监测覆盖区域上空所有GPS卫星的星历数据、多普乐频移等定位所需信息,动态刷新存储于定位平台中的GPS卫星数据库(卫星数据与地理位置对应关系)。终端只有在需要定位时才通过无线网络向定位平台通报大概位置(属于哪个基站),然后通过定位平台获得GPS卫星信息,从而大大缩短卫星捕获时间,大幅度降低耗电。
借助定位服务器强大的运算能力,可以采用复杂的定位算法以降低接收信号弱等不利因素的影响从而提高定位精度和灵敏度。定位平台将经纬度信息送到应用服务平台,或者通过无线网络送回终端满足定位应用。
传统GPS技术由于过于依赖终端性能,即将卫星扫描、捕获、伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身,从而造成定位灵敏度低及终端耗电量大等方面缺陷。CDMA定位技术将终端的工作简化,将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。提高了终端的定位精度、灵敏度和冷启动速度、降低终端耗电。
在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下,CDMA定位系统会组合这两种信息源,只要有一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位,解决了传统GPS无法解决的问题。CDMA定位系统的基础设施辅助设备还提供了比常规GPS定位高出20dB的灵敏度,性能的改善使GPSONE混合式定位方式可以在现代建筑物的内部深处或市区的楼群间正常工作,而两种传统方案在这些地方通常是无**常工作的。
CDMA定位技术结合了无线网络辅助GPS定位和CDMA三角运算定位,改善了室内定位效果。CDMA三角运算定位弥补无卫星信号下也能完成定位,其他蜂窝电话网络如GSM/GPRS也有类似自定位技术,但由于CDMA是惟一全网同步(通过GPS)网络,因此定位精度不高。
A-GPS系统,作为辅助的GPS卫星导航系统。
北斗一号也成双星有源定位导航系统,于1983年提出方案,2000.10.31、12.21第一颗、第二课卫星发射成功升空,2003年5月25日第三颗卫星发射升空,作为导航定位系统的备份星,与前两颗北斗一号卫星组成了完整的北斗卫星导航定位试验系统,以确保全天候、全天时提供卫星导航信息。2007年第四颗北斗一号卫星发射成功,该卫星不仅作为早期3颗卫星的备份,同时还用于开展北斗卫星二号导航系统的相关试验。
“北斗一号”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。用户可以随时接收到卫星广播的询问信号,服务范围以我国大陆地区为主。
“北斗一号”的组成:
太空的导航卫星即2颗地球同步卫星,用于执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务;
地面控制中心(包括民用网管中心),负责无线电信号的发送接收及整个系统的监控管理,其中的民用网管中心负责系统内民用用户标记、识别和管理。
客户端即用户终端,接收地面控制中心经卫星转发的测距信号;
地面控制中心又包括主控站、测轨站、测高站、校正站、计算中心,主要用来测量和校正导航定位参数、以便调整卫星的运行轨道、姿态并编制星历,完成用户定位修正资料和对用户进行定位。
“北斗一号”导航定位系统主要功能:
快速定位、简短通信,用户与用户、用户与中心系统间均可双向简短数字报文通信、精密授时,中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户提供时延修正值。
定位精度为水平精度100m,设立标校站后为20m(差分),授时精度约为100纳秒。
“北斗一号”可为2类用户提供54万次/每小时服务,1类用户机(适合于单人携带使用)10000~20000个,5~10分钟服务一次;2类用户机(适合于车辆、舰船使用)5500个,10~60秒服务一次。
“北斗一号”注册用户分三个等级及对应定位响应延时分别为:一类用户5秒、二类用户2秒、三类用户1秒。
具备双向两种授时功能,根据不同的精度要求,定时传送授时信息给用户端。供用户完成与北斗卫星导航定位系统之间时差的修正。
“北斗一号”系统三维定位精度约几十米,用户的设备容量有限,每秒只能容纳150个用户,主要取决于允许的通道阻塞率、询问信号速率、用户的响应频率。
一般用户每次可传输36个汉字,经核准的用户连续传送方式一次最多传送120个汉字。可满足通信信息量小,但对实时性要求并不是很高的各类型用户应用系统的要求,也很适合集团用户大范围监管和通信不发达地区数据采集传输使用。
北斗二代项目启动时间在2005年,总有35颗卫星组成,其中5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星;
定位精度:10m;
测速精度:0.2m/秒;
授时精度:50ns;
重点区域内还将通过短信服务功能和GNSS增强服务功能。
NFC是在RFID与互联技术融合的基础上演变而来的近距离无线通信技术,由飞利浦公司和索尼公司共同开发,并与2004年4月被批准为国际标准。它利用13.56MHz频率的电波,让移动设备、消费类电子产品等和智能控件工具间进行20cm内的无线通信,由于近场通信具有天然的安全性,因此NFC技术被认为在手机支付领域具有很大的应用前景。
在技术上,NFC同RFID一样,信息都是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递。但是相比于其他近距离通信技术,NFC自身也具有鲜明的特点,主要体现在以下爱几个方面。
距离近,能耗低,安全性高。采用独特的信号衰减技术,通信距离不超过20cm;传输距离近,能耗相对较低。
与现有非接触智能卡技术兼容。NFC标准目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准,很多非接触智能卡都能够与NFC技术兼容。
传输速率低。NFC标准规定的数据传输速率有3种,最高的仅为424kbit/s。
处理速度快。从NFC移动设备侦测、身份确认到数据存储只需要0.1m即可完成。
具有主动、被动通信模式切换。手机内信息既能被读卡器读取,手机本身作为读卡器,还能实现两个手机间的近距离通信。
NFC未来主要应用于智能媒体、NFC用于付款和购票、电子票证及用于连接和作为无线启动设备等。