无线传感器网络 第07章 定位技术

《无线传感器网络技术》讲义

第七章、定位技术

内容提要

1.

WSN定位概述

2.3.

基于测距(range-based)的定位技术无需测距(range-free)的定位技术

4.5. 6. 7.

定位相关的其它技术典型定位系统 展望 主要参考文献

内容提要

1.

WSN定位概述

2.3.

基于测距(range-based)的定位技术无需测距(range-free)的定位技术

4.5. 6. 7.

定位相关的其它技术典型定位系统 展望 主要参考文献

1. WSN定位概述

① 什么是定位？

② 定位的应用领域③ 定位的技术指标

④ 定位系统的设计要点⑤ 定位服务的标准化

1. WSN定位概述-什么是定位？① 定位就是确定位置。

②

定位的两种意义：一种是确定及自己的在系统中的位置； 一种是系统确定目标在系统中的位置。

③

位置信息的类型：物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值， 表示目标的相对或者绝对位置。 符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接 近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关 系，提供目标大致的所在范围。

1. WSN定位概述-定位的应用领域① ② ③ ④ ⑤ 导航：了解移动物体在坐标系中的位置， 指导移动物体成功到达目的地的工作 跟踪：系统实时地了解物体所处位置和移 动的轨迹 虚拟现实：定位物体的位置和方向 网络路由：优化的路由可以提高系统性能、 安全性，节省宝贵的电能 基于位置的服务(LBS, Location Based Service) :新的增值服务

1. WSN定位概述-定位的技术指标(1)①

最重要的指标，指定位系统提供的位置信 息的精确程度。绝对精度指以长度为单位度量的精度。 相对精度，通常以节点之间距离的百分比来定 义。

②

覆盖范围是另一个重要指标，它和精度是 一对矛盾。精度 超声波 Wi-Fi和蓝牙 GSM系统 分米级 3米 100米 覆盖范围 十多米 100米 公里级

1. WSN定位概述-定位的技术指标(2)

① 刷新速度是提供位置信息的频率。比 如GPS每秒钟刷新1次 ② WSN相关的指标

功耗，WSN是功耗受限制的带宽，协议栈开销+数据的有效载荷

节点密度，节点密度要求越高，单次定 位的通信开销越大，消耗的电能越多。

1. WSN定位概述-定位系统的设计要点

① 两个主要因素：①②

定位机制的物理特性相应的算法

② 其他设计要求：① 节点密度

②③

扩展性鲁棒性的要求

1. WSN定位概述-定位服务的标准化

① 定位系统往往是订制系统，没有统一 的标准① GPS系统，事实标准

②

E-911,1996年美国联邦通信委员会 (FCC) 制定的运营商(紧急救援)服 务标准

内容提要

1.

WSN定位概述

2.3.

基于测距(range-based)的定位技术无需测距(range-free

)的定位技术

4.5. 6. 7.

定位相关的其它技术典型定位系统 展望 主要参考文献

2. 基于测距(range-based)的定位技术

① 三边定位和多边定位①② ③ ④

信号强度(RSS)信号传播时间/时间差 (TOA/TDOA/RTOF) 接收信号相位(PDOA) 近场电磁测距(NFER)

② 接收信号角度定位

2. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位多边定位Multilateration

① ②① ② ③

多次测量方程的个数大于变量的个数A3 A4 r4 r3 r2 N r1 A2

估计方法：最小二乘(LS,Least Square)A5

r5

A1

极大似然(MLE, Maximum Likelihood Estimation) 最小均方差(MMSE, Minimum Mean Square Error)

2. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位

三边定位Trilateration(多边定位特例)

多次测量方程的个数等于变量的个数需要考虑无解的情况，求最优近似解r3 A3 r3 N r1 A1 r1 A1 r2 A2 A3 N r2 A2

(a)

(b)

2. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位信号强度(RSS )

①② ③① ②

通过信号在传播中的衰减来估计节点之间 的距离根据信道模型求解距离： 信道的时变特性： d PL(d ) PL(d 0 ) 10n log d X 0

信道由于受到多径衰减(Multi-path Fading) 非视距阻挡(Non-of-Sight Blockage)的影响

2. 基于测距的定位技术-三边定位和多边定位信号传播时间/时间差(TOA/TDOA/RTOF)

发射机 T0

接收机

发射机 T0 T2

接收机 T1

发射机 T0

接收机

T1 T2T1 T3

T3

TOAd (T1 T0 ) *V

TDOAVRF VUS d [(T3 T1 ) (T2 T0 )] * VRF *VUS

RTOFd [(T3 T0 ) (T2 T1 )] *V 2