• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      WSN中基于信道傳播特性的室內(nèi)跟蹤定位算法

      2018-10-26 09:58:34鄭新旺何雨青胡妮娜楊光松
      關(guān)鍵詞:信道特性定位

      李 穎,鄭新旺,何雨青,胡妮娜,楊光松

      (1.集美大學(xué)誠毅學(xué)院,福建 廈門 361021;2.集美大學(xué)信息工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

      0 引言

      傳感網(wǎng)在室內(nèi)定位場景中,需要對一些特殊目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位,例如會場特定排座、商品陳列單位立停人數(shù)測量、視覺障礙者移動支援、步行者導(dǎo)航、危急監(jiān)測自動定位報警、室內(nèi)機(jī)器人控制等[1]。如,文獻(xiàn)[2]利用參考數(shù)據(jù)和測量接收信號強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)的數(shù)據(jù)來找尋室內(nèi)最有可能的運動軌跡作為序列檢查區(qū)域,同時結(jié)合最大似然度量法進(jìn)行序列檢測來實現(xiàn)運動跟蹤定位;文獻(xiàn)[3]借助最大似然法估算靜態(tài)參數(shù)來實現(xiàn)傳感器的同步定位和跟蹤;文獻(xiàn)[4]提出一種基于拓?fù)湫畔⒅亟ǘ嗑S歐幾里得空間里節(jié)點的方法,借助最大似然法來實現(xiàn)節(jié)點重建和定位。這些研究提出的算法沒有考慮信道的影響因素。然而在實際電磁環(huán)境中,特別是室內(nèi)環(huán)境,由于建筑結(jié)構(gòu)和使用材料的原因,存在反射、散射、多徑等影響[5],使用傳統(tǒng)的方法,如到達(dá)時間定位法、接收信號角度定位法存在一定的局限性。對于RSSI定位算法,接收電波的強(qiáng)度不僅取決于節(jié)點之間的距離,而且會受到信道傳播特性的影響。經(jīng)典的傳播模型包括瑞利模型和萊斯模型。瑞利模型描述了小規(guī)??焖僬穹▌酉碌乃ヂ渥兓?,它假定所有信號到達(dá)接收器時都具有相同的強(qiáng)度,沒有考慮直射信號,這與現(xiàn)實情況存在差異。萊斯模型除了分析低電平分散的路徑,還考慮存在一條穩(wěn)定的直射路徑。該模型需要從物理上隔離其直射波,但確定其參數(shù)有一定難度。

      為了提高定位精度,需要研究無線傳播特性,統(tǒng)計接收電波強(qiáng)度的概率分布,根據(jù)概率模型來預(yù)測目標(biāo)的位置。文獻(xiàn)[6]考慮了經(jīng)典的WAF模型[7]結(jié)合傳感網(wǎng)和RFID進(jìn)行節(jié)點定位;文獻(xiàn)[8]基于人體穿透損耗模型的RSSI測距方法結(jié)合卡爾曼濾波算法[9]實現(xiàn)狹長空間的跟蹤定位;文獻(xiàn)[10]基于RSSI的LANDMARC算法[11]結(jié)合距離損耗模型確定虛擬參考標(biāo)簽[12]的場強(qiáng)值以提高室內(nèi)定位精度。但關(guān)于室內(nèi)環(huán)境的無線傳播特性的相關(guān)探討較少,本文對無線傳輸特性的概率進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境建模研究。通過多種不同環(huán)境下的實驗,利用信道概率統(tǒng)計的方式,并使用最大似然法進(jìn)行統(tǒng)計推測,提高位置監(jiān)測定位的精度。

      1 最大似然法及傳播特性建模

      1.1 最大似然法

      L(θ)=L(θ;x1,…,xn)=f(x1,…,xn;θ)

      (1)

      在f(x1,x2,…,xn;θ)中,以x1,x2,…,xn作為變量,使似然函數(shù)L(θ)最大的值,就是θ的值。用這種方法推斷θ的值,稱為最大似然法(ML,maximum likelihood)。

      如果x1,x2,…,xn相互獨立,則滿足

      (2)

      為使L(θ)最大,求解方程?lgL(θ)/?θ=0。當(dāng)然,也可以轉(zhuǎn)化為求lgL(θ)的形式。當(dāng)存在k個參數(shù)θ=(θ1,θ2,…,θk)的場合,求解方程式?lgL(θ)/?θi=0(1≤i≤k)。

      1.2 傳播特性建模

      由于實際環(huán)境中的無線傳播特性存在變化,需要建立其信道模型,通過多次采樣,對信道進(jìn)行概率化測量統(tǒng)計。首先,通過改變無線節(jié)點間的距離并測量接收電波強(qiáng)度,得到節(jié)點之間的距離和接收電波強(qiáng)度的關(guān)系。隨著環(huán)境的動態(tài)變化,可以推算出無線節(jié)點測量信息之間的關(guān)系。其次,考慮無線傳播特性進(jìn)行實時傳播環(huán)境的模型化,假設(shè)發(fā)送和接收節(jié)點之間的距離為d,使L(θ)最大便可求得θ,獲得實際中移動節(jié)點的運動速度、前進(jìn)角度和位置坐標(biāo)。

      接收端的平均接收功率的信號強(qiáng)度

      (3)

      其中,常數(shù)c和衰減系數(shù)α是傳輸模型化的參數(shù),對錨節(jié)點到信標(biāo)的距離以及接收功率的信號強(qiáng)度(d,P)進(jìn)行多組采樣測量,可以擬合求得c和α。

      信息與計算科學(xué)專業(yè)是數(shù)學(xué)、信息科學(xué)和計算機(jī)科學(xué)三者交叉的學(xué)科,它以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),計算機(jī)為工具,解決信息和工程計算方面的實際問題.這一專業(yè)設(shè)置較好地適應(yīng)了以信息技術(shù)為核心的全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局下的人才培養(yǎng)與專業(yè)發(fā)展[1-4].

      f(z)=βmzm-1e-βzm(z≥0;m;β>0),

      (4)

      2 基于信道特性的跟蹤定位算法

      2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

      網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示,假設(shè)通信區(qū)域內(nèi)布置n個固定的錨節(jié)點Ai(i=1,2,3,…,n),錨節(jié)點間可以用有線或無線的方式進(jìn)行通信,最終把數(shù)據(jù)匯聚到Sink進(jìn)行集中處理。假設(shè)對每個移動的目標(biāo)節(jié)點分配全網(wǎng)唯一的ID,以相同的功率定期向錨節(jié)點發(fā)送信標(biāo)。Sink根據(jù)各錨節(jié)點的準(zhǔn)確位置以及接收到目標(biāo)移動節(jié)點Tj(j=1,2,3,…,m)的ID、接收時間、位置、接收功率,從而推測信道條件和目標(biāo)節(jié)點的相關(guān)信息。錨節(jié)點在接收到目標(biāo)的信息后,向Sink節(jié)點報告。Sink根據(jù)收到的目標(biāo)節(jié)點的情報,根據(jù)特定算法進(jìn)行位置推測??紤]移動目標(biāo)的耗電,一般復(fù)雜的位置推測算法,在錨節(jié)點一端進(jìn)行。

      2.2 基于最大似然法的跟蹤定位協(xié)議

      根據(jù)接收功率的大小,提出基于最大似然法的定位方法,綜合考慮信道特性,推測目標(biāo)的位置、速度和前進(jìn)方向。

      移動終端稱為目標(biāo),一邊移動一邊在規(guī)定時間間隔內(nèi)發(fā)送n個信標(biāo)被l個錨節(jié)點接收。此時,目標(biāo)發(fā)送的第i個信標(biāo)被位于(xa,j,ya,j)的錨節(jié)點j接收,其接收功率為Pi,j(1≤i≤n,1≤j≤l)。

      假設(shè)目標(biāo)作勻速直線運行,速度v,行進(jìn)方向a。在推測位置時,目標(biāo)的實際位置用(x,y)表示,第i個信標(biāo)的發(fā)送時刻與推測時刻的差值表示為Δti,信標(biāo)i被錨節(jié)點j接收的功率為Pi,j,其條件概率密度為p(Pi,j|v,a,x,y),按式(3)、(4)求得xi=x-vΔticos(a),yi=y-vΔtisin(a),

      j個錨節(jié)點接收第i個信標(biāo)的功率為隨機(jī)變量Pi,j,如果(P1,1,…,Pn,l)是相互獨立的,取參數(shù)θ=(v,a,x,y),用似然函數(shù)式

      (5)

      和最大似然法,求解目標(biāo)的位置、速度和前進(jìn)方向。其算法如圖2所示。

      3 信道模型測量

      按參考文獻(xiàn)[13]的測量方法,設(shè)置下列三種場景(見圖3):

      場景1:封閉走廊,兩邊都有墻,高2.8 m,寬2.7 m。在走廊中線,每隔1.5 m進(jìn)行一次信號的測量。

      場景2:開放走廊,一側(cè)開放,另一邊有一堵墻,高2.8 m,寬4.5 m。每隔1.5 m在走廊的中線進(jìn)行一次信號的測量。

      場景3:實驗室,配有家具和計算機(jī),高2.8 m,長15 m,寬10 m。沿著實驗室的對角線每隔1.5 m 進(jìn)行一次信號測量。

      發(fā)信機(jī)為一個D-Link的無線路由器,使用IEEE 802.11b協(xié)議,頻率為2.4 GHz,速率為11 Mbite/s依次放在封閉走廊中線起點、開放走廊中線起點和實驗室對角線起點。移動筆記本電腦,用Wireless Mon軟件測量信號強(qiáng)度。不同場景下,沿著設(shè)定路線(見圖3中點劃線箭頭),每隔1.5 m進(jìn)行10組功率信號強(qiáng)度的采樣,根據(jù)采樣數(shù)據(jù),借助最大似然法推測信道傳播特性,其測量結(jié)果如圖4所示。

      根據(jù)式(3)和式(4)計算其傳播特性,結(jié)果如表1所示。

      表1 三種不同場景下傳播特性比較Tab.1 Channel propagation characteristics under three different scenarios

      三種場景傳播特性的差異由表1、圖5、圖6和圖7表示,其中,符號“十”表示“接收到功率信號”,虛線表示韋伯分布曲線。由此可知,測量數(shù)據(jù)結(jié)果基本符合韋伯分布規(guī)律。

      4 算法仿真及評估

      根據(jù)測量結(jié)果,獲得信道數(shù)據(jù),建立對應(yīng)的信道模型。在Matlab下對三種場景進(jìn)行仿真驗證。對于場景1和場景2,目標(biāo)節(jié)點分別從走廊的其中一個端點向另一個端點移動,錨節(jié)點分別設(shè)置在兩個端點和中點;對于場景3,目標(biāo)節(jié)點沿著對角線移動,錨節(jié)點設(shè)置在實驗室的四個角,移動速度為1 m/s。采用2.2提出的算法,每1 s采集一次接收功率信號強(qiáng)度,運用最大似然法根據(jù)樣本數(shù)據(jù)推測移動節(jié)點的軌跡。

      任意取一段時間進(jìn)行統(tǒng)計,圖8至圖10分別為三個場景中速度、角度和節(jié)點坐標(biāo)誤差在12~18 s這段時間內(nèi)的估算值。

      由圖8可知,三者的移動速度都比較接近實際速度1 m/s。其中場景3移動速度偏離實際值最大,場景2移動速度與實際值最為接近。

      由圖9可知,隨著移動時間的增加,場景3移動角度為0.54~0.69 rad,場景1和場景2移動角度在0~0.1 rad之間,三種場景的角度差值接近實際角度(場景3實際角度為0.588 rad,場景1和場景2實際角度為0)。

      由圖10可知,隨著移動時間增加,三個場景的移動節(jié)點位置估計值與實際值的誤差如下: 場景1誤差在1.4~2.8 m之間,場景2誤差在0.1~1.2 m之間,場景3誤差在0.8~1.9 m。測量坐標(biāo)與實際坐標(biāo)間的誤差表現(xiàn)為場景1>場景3>場景2。這是由于場景1和場景3中反射波較多的緣故。

      5 結(jié)論

      本文提出一種基于室內(nèi)信道傳播特性跟蹤定位算法,在密閉走廊、開放走廊和實驗室三種不同場景下,對室內(nèi)無線信號進(jìn)行測試、統(tǒng)計和分析,并構(gòu)建了室內(nèi)信道傳播模型。在實際測量過程中,根據(jù)信道模型和錨節(jié)點定期測試的RSSI數(shù)據(jù),利用最大似然法實現(xiàn)對移動節(jié)點的跟蹤定位,估算其速度、行進(jìn)方向和坐標(biāo)位置。軟件仿真和實測結(jié)果證明,本文提出的方法可以在不同的無線信道條件下,滿足室內(nèi)定位和跟蹤要求,可應(yīng)用于倉庫、超市等室內(nèi)定位場景。

      猜你喜歡
      信道特性定位
      谷稗的生物學(xué)特性和栽培技術(shù)
      《導(dǎo)航定位與授時》征稿簡則
      色彩特性
      流行色(2020年9期)2020-07-16 08:08:54
      Smartrail4.0定位和控制
      進(jìn)一步凸顯定制安裝特性的優(yōu)勢 Integra DRX-5.2
      找準(zhǔn)定位 砥礪前行
      Quick Charge 4:什么是新的?
      CHIP新電腦(2017年6期)2017-06-19 09:41:44
      基于導(dǎo)頻的OFDM信道估計技術(shù)
      一種改進(jìn)的基于DFT-MMSE的信道估計方法
      青年擇業(yè)要有準(zhǔn)確定位
      镇巴县| 西充县| 文登市| 青海省| 秀山| 鞍山市| 阳江市| 卢氏县| 屏东市| 木兰县| 陈巴尔虎旗| 子长县| 五莲县| 怀来县| 长顺县| 阳高县| 自治县| 静乐县| 天等县| 旅游| 依兰县| 安塞县| 普陀区| 永城市| 洱源县| 台南市| 六盘水市| 乌兰察布市| 鄯善县| 中江县| 合川市| 安新县| 武安市| 宝山区| 托克逊县| 清新县| 罗田县| 蒙阴县| 虎林市| 府谷县| 万宁市|