傳感識別系統(tǒng)中的無線定位技術研究.pdf

1、軌道交通的大力推廣與快速建設正推動著中國交通運輸產業(yè)朝著高速高效的方向前進，對運輸的安全性和智能化也提出了更高的要求，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，并能夠對這些信息進行智能化的處理，基于物聯(lián)網技術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（RFID）和無線傳感器網絡(WSN)作為物聯(lián)網感知層的兩大關鍵技術，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室內定位方案。該方案應用自由空間的電磁波路徑損耗經驗模型和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系模型，并通過實驗給予驗證。在此基礎上，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，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，結合UWB技術抗干擾性強以及定位精度高的特點，設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帶寬內已使用頻段，設計了一款避開現有已使用頻段的四阻帶UWB天線。在設計的氣泡型UWB天線的基礎上，分析了寄生單元和開槽單元的尺寸及位置變化對所產生的阻帶的影響，結果表明寄生單元和開槽單元在各自實現的阻

5、帶范圍上都存在著局限性，在本文所設計的UWB天線結構下，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UWB帶寬內四個阻帶的目的，同時添加開槽單元和寄生單元，并通過仿真優(yōu)化各單元結構來實現不同頻率不同帶寬的阻帶，其中C型寄生單元主要實現在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，仿真及實際測量結果表明，所設計的四阻帶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，改變寄生/開槽單元的長度可以控制阻帶的頻率變化，因此其可以實現將多阻帶的UWB天線轉換為無源無芯片的RFID標簽。通過增加開槽/寄生單元的數量，并通過調節(jié)開

7、槽/寄生單元的長度來控制各單元的阻帶來實現編碼的目的，進而形成一類Chipless RFID標簽。在所設計的氣泡型UWB天線的基礎上，通過添加不同尺寸開槽單元和寄生單元，實現了一個五比特的Chipless tag，仿真結果表明，該五比特標簽可以實現編碼的目的。
　　隨后，針對無線傳感器網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，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)點間的跳數轉換為距離來進行計算，節(jié)點間的最小跳數和信標節(jié)點的平均跳距是決定該算法定位精度的兩個主要參數，對此對節(jié)點總數、信標節(jié)點總數、節(jié)點通信半徑等影響這兩個參數的因素進行了優(yōu)化分析，并針對WSN與DFS結合的混合傳感器網絡，提出了一種子方塊加權的改進DV-hop算法SSWDV-hop(Sub-Square Weighted DV-hop)，仿真及實驗結果表明，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)點間的關系，對此，基于質點彈簧模型，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，再根據未知節(jié)點到各個信標節(jié)點的

10、跳數對位置偏移量進行加權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)點數目、節(jié)點通信半徑等參數對定位精度的影響。仿真結果表明，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上都提高了25％左右。
　　最后，針對無線傳感器網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、危險信標節(jié)點位置偏移量、迭代次數等參數進行了詳細的分析，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