傳感識別系統(tǒng)中的無線定位技術(shù)研究.pdf

1、軌道交通的大力推廣與快速建設(shè)正推動著中國交通運輸產(chǎn)業(yè)朝著高速高效的方向前進，對運輸?shù)陌踩院椭悄芑蔡岢隽烁叩囊?，怎樣確保高效和高速下的安全性是當前面臨的一個重要問題。列車安全運行的關(guān)鍵在于監(jiān)控系統(tǒng)要能夠及時準確的掌握列車的運行狀態(tài)和外界環(huán)境這兩個因素，并能夠?qū)@些信息進行智能化的處理，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能軌道交通正是解決這一問題的有效途徑。在這兩個因素中，準確的位置估計具有至關(guān)重要的作用，因此，自動定位是智能軌道交通中一個亟待解決

2、的問題。射頻識別技術(shù)（RFID）和無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的兩大關(guān)鍵技術(shù)，分別在列車定位與列車運行環(huán)境定位監(jiān)測中有著很好地應用前景，本文以此為目的對基于這兩種技術(shù)的定位展開研究，并針對環(huán)境干擾、安全攻擊等復雜環(huán)境下的可靠定位進行了研究分析。
　　首先，針對RFID標簽定位應用研究，提出了一種簡單的UHF RFID室內(nèi)定位方案。該方案應用自由空間的電磁波路徑損耗經(jīng)驗模型和Friis傳輸方程建立讀寫器天線功率與其當前功

3、率下的感測范圍直徑的關(guān)系模型，并通過實驗給予驗證。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于讀寫器天線功率掃描的多天線定位方法，并以兩個天線定位和三個天線定位為例對方案進行實驗驗證，實驗結(jié)果表明，兩個天線定位可是得到平均定位誤差為57cm，而三個天線的定位誤差則與兩個天線相比有明顯的改善，其平均誤差由57cm降為18cm，且90％以上概率的定位誤差小于25cm，也表明該方案有著良好的定位效果。然而，實驗過程中發(fā)現(xiàn)，讀寫器在讀寫標簽時受到地面及墻面反射的

4、影響較大。
　　其次，針對UHF RFID受多徑效應等環(huán)境因素影響的問題，結(jié)合UWB技術(shù)抗干擾性強以及定位精度高的特點，設(shè)計了一種可用于定位的無源無芯片的UWB RFID標簽(Chipless UWB RFID Tag)。針對UWB帶寬內(nèi)已使用頻段，設(shè)計了一款避開現(xiàn)有已使用頻段的四阻帶UWB天線。在設(shè)計的氣泡型UWB天線的基礎(chǔ)上，分析了寄生單元和開槽單元的尺寸及位置變化對所產(chǎn)生的阻帶的影響，結(jié)果表明寄生單元和開槽單元在各自實現(xiàn)的阻

5、帶范圍上都存在著局限性，在本文所設(shè)計的UWB天線結(jié)構(gòu)下，其中寄生單元主要在5GHz以上的較高頻段帶有很好地阻帶效果，而開槽單元則在8GHz以下的較低頻段帶有很好地阻帶效果。為了實現(xiàn)UWB帶寬內(nèi)四個阻帶的目的，同時添加開槽單元和寄生單元，并通過仿真優(yōu)化各單元結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)不同頻率不同帶寬的阻帶，其中C型寄生單元主要實現(xiàn)在ITU所占用的頻帶(8.01～8.55GHz)處的阻帶，兩個C型開槽單元和一個U型開槽單元則實現(xiàn)WLAN(5.15～5.35

6、GHz，5.75～5.85GHz)和衛(wèi)星通信上行波段X波段(7.25～7.75GHz)的頻帶，仿真及實際測量結(jié)果表明，所設(shè)計的四阻帶UWB天線在四個被占用頻段處具有很好地抑制效果，且該天線同時具有很好地全向性，能夠很好地滿足UWB的應用。進一步分析UWB天線的寄生/開槽單元可以發(fā)現(xiàn)，改變寄生/開槽單元的長度可以控制阻帶的頻率變化，因此其可以實現(xiàn)將多阻帶的UWB天線轉(zhuǎn)換為無源無芯片的RFID標簽。通過增加開槽/寄生單元的數(shù)量，并通過調(diào)節(jié)開

7、槽/寄生單元的長度來控制各單元的阻帶來實現(xiàn)編碼的目的，進而形成一類Chipless RFID標簽。在所設(shè)計的氣泡型UWB天線的基礎(chǔ)上，通過添加不同尺寸開槽單元和寄生單元，實現(xiàn)了一個五比特的Chipless tag，仿真結(jié)果表明，該五比特標簽可以實現(xiàn)編碼的目的。
　　隨后，針對無線傳感器網(wǎng)絡定位中研究廣泛的DV-hop算法，詳細分析了影響其定位精度的各種參數(shù)，研究了不同定位區(qū)域下DV-hop算法的性能并提出了兩種不同的改進DV-ho

8、p算法。DV-hop算法通過將節(jié)點間的跳數(shù)轉(zhuǎn)換為距離來進行計算，節(jié)點間的最小跳數(shù)和信標節(jié)點的平均跳距是決定該算法定位精度的兩個主要參數(shù)，對此對節(jié)點總數(shù)、信標節(jié)點總數(shù)、節(jié)點通信半徑等影響這兩個參數(shù)的因素進行了優(yōu)化分析，并針對WSN與DFS結(jié)合的混合傳感器網(wǎng)絡，提出了一種子方塊加權(quán)的改進DV-hop算法SSWDV-hop(Sub-Square Weighted DV-hop)，仿真及實驗結(jié)果表明，SSWDV-hop算法相比于優(yōu)化DV-hop

9、算法，其定位精度提高了65％以上。另一方面，DV-hop算法沒有充分利用信標節(jié)點與未知節(jié)點間的關(guān)系，對此，基于質(zhì)點彈簧模型，建立了信標節(jié)點與未知節(jié)點間的矢量作用模型，提出了一種基于矢量修正的改進DV-hop算法——VRDV-hop(Vector Refinement DV-hop)算法。將通過DV-hop估算的初始位置與信標節(jié)點間的歐氏距離同通過跳數(shù)與跳距得到的二者間的距離之差作為未知節(jié)點位置的偏移修正量，再根據(jù)未知節(jié)點到各個信標節(jié)點的

10、跳數(shù)對位置偏移量進行加權(quán)平均得到最終的偏移量來修正初始估計位置，同時分析了信標節(jié)點數(shù)目、節(jié)點通信半徑等參數(shù)對定位精度的影響。仿真結(jié)果表明，VRDV-hop定位算法有效地改進了節(jié)點的定位精度，相比于DV-hop和WDV-hop(Weighted DV-hop)，VRDV-hop算法的定位精度在原基礎(chǔ)上都提高了25％左右。
　　最后，針對無線傳感器網(wǎng)絡定位中的安全可靠性問題，研究了WSN中存在危險信標節(jié)點情況下的定位方案，提出了一種基

11、于奇異值剔除的矢量修正DV-hop安全定位算法OEVRDV-hop(Outlier Elimination Vector Refinement DV-hop)。該算法在DV-hop算法的基礎(chǔ)上，引入拉依達準則對信標節(jié)點計算得到的平均跳距HopSize進行判別，剔除HopSize異常的信標節(jié)點得到新的信標節(jié)點組合，再將這些新的信標節(jié)點組合應用到DV-hop算法中，通過迭代反饋與矢量修正結(jié)合得到最終的定位坐標。同時，還對影響OEVRDV-h

12、op算法安全定位的拉依達準則閾值、危險信標節(jié)點總數(shù)、危險信標節(jié)點位置偏移量、迭代次數(shù)等參數(shù)進行了詳細的分析，最后通過實驗對該方案進行驗證。仿真及實驗結(jié)果表明，在安全環(huán)境和有危險信標節(jié)點存在兩種情況下，DV-hop算法的定位精度分別為2.84m和4.63m，VRDV-hop算法的定位精度分布為0.82m和4.34m，可以看出VRDV-hop在有干擾的情況下其定位精度急劇惡化，而OEVRDV-hop則很好地解決了這個問題，在相同危險信標節(jié)點