《无线传感器网络技术》讲义PPT

《无线传感器网络技术》讲义第五章、定位技术*内容提要WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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定位概述什么是定位？定位的应用领域定位的技术指标定位系统的设计要点定位服务的MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714291983581_0化1.WSN定位概述-什么是定位？定位就是确定位置。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。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,LocationBasedService）：新的增值服务1.WSN定位概述-定位的技术指标(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。覆盖范围是另一个重要指标，它和精度是一对矛盾。 精度 覆盖范围 超声波 分米级 十多米 Wi-Fi和蓝牙 3米 100米 GSM系统 100米 公里级1.WSN定位概述-定位的技术指标(2)刷新速度是提供位置信息的频率。比如GPS每秒钟刷新1次WSN相关的指标功耗，WSN是功耗受限制的带宽， 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 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两个主要因素：定位机制的物理特性相应的算法其他设计要求：节点密度扩展性鲁棒性的要求1.WSN定位概述-定位服务的标准化定位系统往往是订制系统，没有统一的标准GPS系统，事实标准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WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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2.基于测距（range-based）的定位技术三边定位和多边定位信号强度（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）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多次测量方程的个数大于变量的个数估计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ：最小二乘（LS，LeastSquare）极大似然（MLE,MaximumLikelihoodEstimation）最小均方差（MMSE,MinimumMeanSquareError）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2.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位信号强度（RSS）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：信道由于受到多径衰减（Multi-pathFading）非视距阻挡（Non-of-SightBlockage）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）TOATDOARTOFRTOF：基于往返传播时间*2.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位接收信号相位（PDOA）通过测相位差，求出信号往返的传播时间，计算出往返距离其中，fc是信号频率，λ是信号的波长，φ是发送信号和反射信号的相位差。由上式可知d的范围是[0,λ]。不同的距离如果相差λ倍，则测量获得的相位相同。2.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位近场电磁测距（NFER）利用了在近场电场与磁场的相位差来测量距离。射频信号包括电场和磁场2部分。近场电磁测距方法的测距范围0.05λ~0.5λ之间，最佳测量范围0.08λ~0.3λ之间。2.基于测距的定位技术-接收信号角度定位利用角度关系定位已知一个顶点和夹角的射线确定一点已知三点和三个夹角确定一点WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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3.无需测距（range-free）的定位技术质心算法DV-Hop算法不定形（Amorphous）定位算法APIT算法3.无需测距的定位技术-质心算法质心（Centroid）指多边形的几何中心，是多边形顶点坐标的平均值。设多边形定点位置的向量表示为pi=（xi,yi）T，则质心为3.无需测距的定位技术-DV-Hop算法测量确定分布在2个参考节点之间的待定节点构成的多跳网络的跳数，估算出每一跳的距离，从而确定每个节点的位置。精度：网络平均连通度为10，参考节点比例为10%的各向同性网络中定位精度约为33%。缺点：仅仅在各向同性的密集网络中，校正值才能合理地估算平均每跳距离。3.无需测距的定位技术-不定形定位算法在不定形计算机（AmorphousComputer）上实现的定位算法。不定形计算机是一种并行计算结构，和智能群（蚁群、鸟群、粒子群等）很相似。本质上，不定形算法是DV-Hop算法的增强，引入了多参考点测量进行估计求精的步骤。3.无需测距的定位技术-APIT算法近似三角形内点测试法（APIT,ApproximatePoint-In-Triangulationtest）找到若干个由参考节点构成的三角形，则节点必然在这些三角形的交集内。使用这个交集的重心估计节点的位置。APIT算法分四步：（1）信标交换，（2）三角形内点测试（PIT,Point-In-Triangulationtesting），（3）交集运算计算三角形的重合区域，（4）重心（COG,CenterofGravity）计算求节点的位置。WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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4.定位相关的其它技术节点和事件的跟踪测距方式对精度的影响贝叶斯滤波卡尔曼滤波其它技术4.定位相关的其它技术-节点和事件的跟踪定位是跟踪的技术基础跟踪是WSN的重要应用目标或现象的检测、定位、数据收集与分享、以及预测和组管理。对移动的目标或者事件进行动态的监测目标：让尽可能少的、足够的节点参与跟踪任务，最大可能地降低电能的消耗和信道的开销 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：协同信号与信息处理(CSIP,collaborativesignalandinformationprocessing)4.定位相关的其它技术-测距方式对精度的影响Radio（VHF、UWB、CDMA、光、红外光）一米的壁垒：更高的精度非常困难4.定位相关的其它技术-测距方式对精度的影响声音（声波、超声波）超声波的传播速度约300m/s，设TDOA达到的时钟精度为1ms，则测距精度30cm。1ms的时钟精度是很低的，经过优化的时间同步方案可以提供几十微秒的精度。那么使用超声波测距的方法可以达到1cm的精度。超声波的传播速度受到环境的影响，同时传播距离在几米到几十米的范围。由于声波接收的方向性，需要小心的部署。4.定位相关的其它技术-贝叶斯滤波滤波可以看作是根据观测数据，推断系统内部状态的过程。顺序估计就是通过后验密度（PosteriorDensity）给定了滤波密度就可以通过估计子计算系统的状态。估计子有很多种，最常用的是均值估计子：实际应用：顺序蒙特卡罗（SMC,sequentialMonteCarlo）和马尔可夫蒙特卡罗（MCMC,MarkovChainMonteCarlo）的基本原理。4.定位相关的其它技术-卡尔曼滤波卡尔曼滤波：贝叶斯滤波的特例要求：线性系统，高斯噪声非线性非高斯系统：扩展卡尔曼滤波线性化运动方程和观测方程Jacobian矩阵计算协方差非察觉型卡尔曼滤波器（UnscentedKalmanfilter）更加精确的捕捉真实的均值和方差的方法使用一个确定的采样技术选取均值附近的采样点的最小集合（SigmaPoints,SP）4.定位相关的其它技术-其它技术模式匹配数据融合等算法数据压缩数据库多媒体技术以RADAR系统为例，该系统采用RSS方式进行实时定位，定位主要分成两个阶段：（1）离线阶段测量并记录移动节点在现场不同位置情况下各个参考节点的RSS，构成RSS指纹库（footprint）；（2）实时阶段将收到的信号强度与指纹库中的数据进行比较，估计出节点位置。WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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5.典型定位系统全球和区域导航系统全球导航系统地区导航系统无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统使用TOA/TDOA方式定位的系统混合定位系统无需测距的定位系统5.典型定位系统-全球和区域导航系统全球导航系统：全球范围GPS GPS（GlobalPositioningSystem）二十世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。起初为了军事目的。Galileo系统 伽利略系统（GALILEOsatelliteradionavigationsystem）是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理。5.典型定位系统-全球和区域导航系统全球导航系统：全球范围GPSGPS使用24颗人造卫星在离地面约2万公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行。在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，通过4颗卫星发出的信号，我们可得到卫星到接收机的距离。GPS精度达到5m，专用车载GPS导航仪已经广泛使用于车辆导航等应用领域。5.典型定位系统-全球和区域导航系统全球导航系统：全球范围Galileo系统伽利略系统是中高度圆轨道（MEO）方案，该系统将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务5.典型定位系统-全球和区域导航系统地区导航系统：区域范围LORAN系统 LORAN（LOngRAngeNavigation）是一种地区导航系统。基站以一定的时间间隔发送低频无线信号，船只、飞机等接收到多个信号基站的信号后，可以计算出自身所处的位置。LORAN系统发展经历LORAN-A、LORAN-C、LORAN-D和LORAN-F，最为重要的是LORAN-C系统。LORAN-C是测量脉冲和测量相位相结合的双曲线导航系统，工作频段90~110kHz，1957年开始建设，直到现在已经建成大量电台链，覆盖了北半球大部分地区。北斗 北斗双星定位系统是我国自行建立起来的一种区域性定位系统（RDSS）。2003年5月25日，我国成功发射了第三颗“北斗一号”导航定位卫星，作为“北斗导航定位系统”的备份星，连同2000年10月31日和12月21日发射升空的两颗“北斗一号”导航定位卫星和一个地面中心站，形成了一个较为完善的“双星导航定位系统”。“双星导航定位系统”应归于“卫星无线电定位服务”（RDSS）。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统RADAR（1998）Microsoft的RADAR定位系统利用“指纹识别”技术进行定位，解决WLAN中定位移动计算设备的问题。SpotON（1999）5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统RADAR（1998）通过对特定环境下的RF信号衰落特征值进行处理实现的。数据处理处理分成2个阶段：离线阶段（office-linephase）和实时阶段（real-timephase）。离线阶段记录目标节点的位置所对应3个基站的信号信息，生成以位置为变量的信号信息函数。实时阶段在采集3个基站的信号信息，根据信号信息函数求解位置。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用RSS方式定位的系统SpotON（1999）SpotOn标签的硬件由DragonballEZ处理器、在916.5MHz的TR1000射频收发器和10-bitA/D转换器构成。该系统基于射频接收信号强度（RSS）分析的三维位置感知方法，实现小范围内的定位。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用TOA/TDOA方式定位的系统BatSystem（1999）Cricket（2000）5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统使用TOA/TDOA方式定位的系统BatSystem（1999）Cricket（2000）室内定位系统Badge系统是ActiveBadge的后继发展，是一种基于测距（range-based）的定位技术。如图7‑19，该系统使用超声波信号的TOA实现三维空间定位，使用多边定位方法提高精度。Bat系统的定位精度最高达到3cm。MIT提出了一种融合TDOA和信号到达相位差的硬件解决方案——CricketCompass，其原型系统可在40角内以5的误差确定接收信号方向。Cricket系统是麻省理工学院的Oxygen项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置。该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统混合定位系统CalamariAHLoS（AdHocLocalizationSystem）（2001）两个系统本质上都是cell-based方式定位的系统5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统混合定位系统CalamariCalamar采用超声波传播时间（TOA）和接收电信号强度（RSS）方式定位。使用超声波的测距，将49个节点部署在144平方米的范围。定位中等误差0.53m。使用RSS，系统分别在半个足球场，定位中等误差4.1m。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统混合定位系统AHLoS（AdHocLocalizationSystem）（2001）AHLoS使用RSS进行接近情况探测，同时使用RF和超声波的收发时间进行TDOA测量。AHLoS系统中使用3种多边定位算法：原子式（atommultilateration）、协作式（collaborativemultilateration）和迭代式（iterativemultilateration）。原子式多边定位就是普通的最大似然估计定位。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统无需测距的定位系统ActiveBadge（1992） 每一个目标上安装一个badge。每个badge周期地每15秒钟，红外线发送大约持续0.1秒的唯一ID号。已知位置的参考节点收到这些信号，传送到网络。系统知道当前某个badge在哪一个cell附近。ActiveBadge系统的缺点是部署大规模网络困难，同时，红外线容易受到光线的干扰，尤其是在户外。因此，ActiveBadge是一个室内的基于蜂窝单元（cell-based）的定位系统。5.典型定位系统-无线传感器网络定位系统无需测距的定位系统UCBerkeley（2006）使用Trio传感器节点 多传感器融合算法，使用空间相关性，融合后的二进制测量值提供更加精细的位置信息。融合后的数据通过数据关联的马尔可夫-蒙特卡罗算法（MarkovchainMonteCarloDataAssociation-MCMCDA）跟踪未知个数的目标。 WSN定位概述基于测距（range-based）的定位技术无需测距（range-free）的定位技术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6.展望UWB定位NanotronCSS定位主要参考文献[1]S.S.Wang,M.Green,andM.Malkawa,“E-911LocationStandardsandLocationCommercialServices,”ProceedingsofIEEEEmergingTechnologiesSymposiumonBroadband,WirelessInternetAccess,April2000.[2]N.B.Priyantha,A.Chakraborty,andH.Balakrishnan.TheCricketlocation-supportsystem.InACM/IEEEMOBICOM,32–43,2000.[3]NiculescuD,NathB.DVbasedpositioninginadhocnetworks.JournalofTelecommunicationSystems,2003,22(1/4):267-280.[4]NicolescuD,NathB.Ad-Hocpositioningsystems(APS).In:Proc.ofthe2001IEEEGlobalTelecommunicationsConf.Vol.5,SanAntonio:IEEECommunicationsSociety,2001.2926-2931[5]P.BahlV.N.Padmanabhan,RADAR:AnIn-BuildingRF-BasedUserLocationandTrackingSystem,ProceedingsofIEEEINFOCOM2000,Vol.2,Tel-Aviv,Israel(March2000):775-784[6]D.Moore,J.Leonard,D.Rus,andS.Teller,“RobustDistributedNetworkLocalizationwithNoisyRangeMeasurement,”SenSys’04,Nov2004.[7]D.NiculescuandB.Nath.Adhocpositioningsystem(APS)usingAoA.InIEEEINFOCOM,SanFrancisco,2003,pp.1734–1743.[8]N.Bulusu,J.Heidemann,D.Estrin.DensityAdaptiveAlgorithmsforBeaconPlacementinWirelessSensorNetworks.TechnicalReportULCA-CS-010013,2001[9]X.Shen,Z.Wang,P.Jiang,R.Lin,andY.Sun,ConnectivityandRSSIBasedLocalizationSchemeforWirelessSensorNetworks.2005InternationalConferenceonIntelligentComputing,LectureNotesonComputerScience.Vol.3645,p.578-587,Aug.2005.[10]D.Niculescu,andB.Nath,“AdHocPositioningSystem(APS)”,ProceedingsofIEEEGlobecom2001,Texas,USA,pp.2826-2931,November,2001.主要参考文献[11]D.Niculescu,andB.Nath,“DV-basedPositioninginAdHocNetworks”,KluwerJournalofTelecommunicationSystems,Vol.22,No.1,pp.267-280,January,2003.[12]R.Nagpal,H.Shrobe,andJ.Bachrach.OrganizingaGlobalCoordinateSystemfromLocalInformationonanAdHocSensorNetwork.InProceedingsof2ndInt’lWorkshoponInformationProcessinginSensorNetworks(IPSN’03).PaloAlto,USA,April2003.[13]T.He,C.Huang,B.M.Blum,J.A.Stankovic,andT.Abdelzaher.Range-FreeLocalizationSchemesforLargeScaleSensorNetworks.Proc.9thAnnualInt’lConf.onMobileComputingandNetworking(MobiCom),SanDiego,CA.,2003.pp.81~95[14]F.Zhao,J.Liu,J.J.Liu,L.Guibas,andJ.Reich.Collaborativesignalandinformationprocessing:aninformationdirectedapproach.ProceedingsofIEEE,91(8):1199–1209,2003.[15]FengZhaoandLeonidasJ.Guibas.WirelessSensorNetworks:AnInformationProcessingApproach.TheMorganKaufmannSeriesinNetworking.MorganKaufmannPublishers,2004.[16]M.;Wiebking,L.;Gulden,P.;Wieghardt,J.;Hoffmann,C.;Heide,P.Wirelesslocalpositioning,Vossiek,IEEEMicrowaveMagazine,pp.77-86,Dec.2003.[17]A.M.R.Ward"Sensor-drivenComputing",PhDthesis,CambridgeUniversity,August1998.[18]HarterA,HopperA,StegglesP,WardA,WebsterP.Theanatomyofacontext-awareapplication.In:Proc.ofthe5thAnnualACM/IEEEInt’lConf.onMobileComputingandNetworking.Seattle:ACMPress,1999.59-68.[19]M.Addlesee,R.Durwen,S.Hodges,J.Newman,P.Steggles,A.Ward,andA.Hopper.Implementingasentientcomputingsystem.Computer,34(8),50–56,2001.[20]AndyHarter,AndyHopper,PeteSteggles,AndyWardandPaulWebster"TheanatomyofaContext-AwareApplication",InWirelessNetworks,Vol.8,pp.187-197,February2002.主要参考文献[21]L.HuandD.Evans,"Localizationformobilesensornetworks,"inProceedingsofthe10thannualinternationalconferenceonMobilecomputingandnetworking,Philadelphia,PA,USA,2004,pp.45-57.[22]B.D.AndersonandJ.B.Moore.OptimalFiltering.Prentice-Hall,EnglewoodCliffs,NewJersey,1979.[23]S.J.JulierandJ.K.Uhlmann.Unscentedfilteringandnonlinearestimation.ProceedingsofIEEE,2004,92(3):401-422.[24]H.Chen,D.Ping,Y.Xu,andX.Li,ANovelLocalizationSchemeBasedonRSSDataforWirelessSensorNetworks,AdvancedWebandNetworkTechnologies,andApplications,LNCSVolume3842,2006.[25]H.Chen,P.Deng,Y.Xu,andX.Li,"ArobustlocationalgorithmwithbiasedextendedKalmanfilteringofTDOAdataforwirelesssensornetworks,"InProceedingsofInternationalConferenceonWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing2005,pp.883-886.[26]P.Enge,andP.Misra,"SpecialIssueonGPS:TheGlobalpositioningSystem,"Proc.oftheIEEE,pp.3-172,January1999[27]P.BahlandV.N.Padmanabhan.RADAR:anin-buildingRF-baseduserlocationandtrackingsystem.InIEEEINFOCOM,2,775–784,2000.[28]HightowerJ,BorielloG,WantR.SpotON:Anindoor3DlocationsensingtechnologybasedonRFsignalstrength.TechnicalReportUWCSE2000-02-02,Seattle:DepartmentofComputerScienceandEngineering,UniversityofWashington,2000.[29]JeffreyHightower,"SpotON:Ad-hocLocationSensingusingRadioSignalStrength",Feb.2001.[30]P.Castro,P.Chiu,T.Kremenek,andR.R.Muntz.Aprobabilisticroomlocationserviceforwirelessnetworkedenvironments.InUbicomp,2001pp.18–34.主要参考文献[31]K.Whitehouse.Thedesignofcalamari:anad-hoclocalizationsystemforsensornetworks.Master'sthesis,UniversityofCaliforniaatBerkeley,2002.[32]L.Navarro-Serment,R.Grabowski,C.Paredis,P.Khosla."Milibots",IEEERobotics&AutomationMagazine,Vol.9,No.4,December2002,pp.31-40[33]A.Savvides,C.C.Han,M.B.Srivastava,"DynamicFine-GrainedLocalizationinAd-HocWirelessSensorNetworks",intheproceedingsof theInternationalConferenceonMobileComputingand Networking(MobiCom)2001,Rome,Italy,July2001(alsoNESLtechnicalreport TM-UCLA-NES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