無線通信中的定位技術(shù)及其在AD HOC路由策略中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，無線通信目標(biāo)的定位問題，無論是在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都受到了廣泛的關(guān)注。在軍事領(lǐng)域，無線通信目標(biāo)的定位廣泛應(yīng)用于偵察、火力打擊、雷達(dá)對抗、通信對抗和光電對抗等各個方面。無線通信目標(biāo)的定位可以為步兵戰(zhàn)車、火炮、坦克、飛機(jī)和艦艇的遠(yuǎn)程火控系統(tǒng)以及巡航導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)提供精確的目標(biāo)位置信息，從而進(jìn)一步提高火力打擊的準(zhǔn)確率。同時(shí)，可以合理地利用有限的電子戰(zhàn)資源，提高通信對抗、雷達(dá)對抗和光電對抗的作戰(zhàn)效率。在民用領(lǐng)域，定位研究最早

2、起源于美國聯(lián)邦委員頌布的E-911標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)要求移動通信運(yùn)營商提供911緊急呼叫目標(biāo)的定位服務(wù)，并且要求定位精度在100米范圍內(nèi)的概率不小于67％，定位精度在300米范圍內(nèi)的概率不小于95％。無線通信定位可以提供移動黃頁、導(dǎo)航、計(jì)費(fèi)、飯店/賓館查找等許多民用服務(wù)，同時(shí)在路邊援助、交通路徑選擇、實(shí)時(shí)車輛調(diào)度以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和資源配置優(yōu)化等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。此外，無線通信定位技術(shù)在“物聯(lián)網(wǎng)”領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　無線通信

3、中常用的定位技術(shù)主要有電磁波通信定位和光波通信定位，定位參數(shù)主要包括距離、俯仰角、信號強(qiáng)度、信號到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差和信號到達(dá)角度等。定位算法則主要使用視距條件下的定位參數(shù)測量值，通過三角定位、圓周定位和雙曲線定位等算法對目標(biāo)進(jìn)行位置估算。然而，基于光波通信的定位測量容易受到大氣、雨霧以及戰(zhàn)場煙幕等條件的影響，當(dāng)測量點(diǎn)與被測目標(biāo)之間存在遮擋時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)定位參數(shù)的測量；基于電磁波的定位測量則對發(fā)射端和接收端之間的信道狀況信賴度很高，比如在

4、繁華的城市里，密集的高層建筑會遮擋住發(fā)射端和接收端之間的信號傳播路徑，信號只能通過反射和繞射等方式傳播，使得信號到達(dá)接收端的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于視距傳播時(shí)信號傳輸所用的時(shí)間。相應(yīng)地，測量得到的定位參數(shù)值也會存在高達(dá)數(shù)百米的非視距誤差，由此解算出的目標(biāo)位置也會存在很大的偏差。特別地，當(dāng)目標(biāo)的位置隨著時(shí)間而變動時(shí)，非視距誤差會時(shí)斷時(shí)續(xù)地存在于距離測量值中，對定位算法的魯棒性也帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　無線通信定位中的需要解決的關(guān)鍵問題主要有四個

5、:第一是非視距誤差的抑制與消除。發(fā)射端信號通過反射、繞射等傳播方式到達(dá)接收端，其傳播距離通常大于發(fā)射端和接收端之間的直線距離，電磁波定位測量中會存在非視距誤差，與視距環(huán)境中的系統(tǒng)測量噪聲相比，具有較大的均值和方差。因此，抑制和消除非視距誤差的影響是提高定位精度的一個重要途徑。第二是不同定位測量系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合。定位測量系統(tǒng)得到的定位參數(shù)中，包含時(shí)間、距離、距離差、角度、信號強(qiáng)度等不同類型的數(shù)據(jù)，選取不同的定位算法解算出的目標(biāo)位置會存在很

6、大差異。如何將不同定位系統(tǒng)得到的定位測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，是提高定位精度的又一重要途徑。第三是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)分布幾何形狀復(fù)雜、參考節(jié)點(diǎn)稀疏、距離測量誤差大等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)的定位算法難以得到節(jié)點(diǎn)位置的精確解，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位算法研究具有非常大的挑戰(zhàn)性。第四是基于定位技術(shù)的AD HOC路由算法。AD HOC無線網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，而路由的建立則相對較慢，網(wǎng)絡(luò)拓樸信息很快就會失效?，F(xiàn)有路由的搜索和

7、建立以及維護(hù)機(jī)制，需要耗費(fèi)大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞和信息的丟失，如何將定位技術(shù)應(yīng)用于AD HOC網(wǎng)絡(luò)路由策略，以進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)的開銷，提高路由算法的效率，是定位技術(shù)在無線通信研究領(lǐng)域的一個重要課題。
　　本論文首先介紹了無線通信中定位的應(yīng)用領(lǐng)域、研究現(xiàn)狀、需要解決的關(guān)鍵問題，從電磁波通信和光波通信兩個方面論述了無線通信中的定位技術(shù)，并對光波測距和電磁波信號的到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差、到達(dá)角度、信號強(qiáng)度測量以及相應(yīng)的定位算法進(jìn)

8、行了研究，探討了影響無線通信定位精度的主要因素，總結(jié)了無線通信定位的主要性能評價(jià)指標(biāo)，并通過仿真對定位算法的性能進(jìn)行了分析；然后研究了非視距環(huán)境中的無線通信定位算法，分析了兩種主要的非視距誤差模型，提出了基于正交多項(xiàng)式擬合的測量參數(shù)重構(gòu)算法和非視距環(huán)境中的定位優(yōu)化算法，并結(jié)合鬧市、市區(qū)、市郊和鄉(xiāng)村等不同信號傳播環(huán)境對提出的算法進(jìn)行了仿真和分析；同時(shí)，提出了基于數(shù)據(jù)融合的非視距誤差消除方法和全局最小二乘定位優(yōu)化算法，并結(jié)合不同的測量點(diǎn)數(shù)目

9、和系統(tǒng)測量噪聲方差對提出的算法進(jìn)行了仿真和分析；再然后研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法，首次將有限元分析引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位，通過初始定位、定位改善和定位優(yōu)化三個階段實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位，并結(jié)合不同的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目對提出的算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析；最后研究了定位技術(shù)在AD HOC無線路由協(xié)議中的應(yīng)用，提出了節(jié)點(diǎn)位置信息與信號連接強(qiáng)度相結(jié)合的路由協(xié)議結(jié)構(gòu)、路由搜索和路由維護(hù)方法和基于模擬退火的路由優(yōu)化算法，并對提出的路由算法進(jìn)行了仿真和

10、性能比較。
　　論文的主要貢獻(xiàn):
　　1.研究了基于電磁波通信的非視距誤差抑制算法、參數(shù)測量值重構(gòu)算法和定位優(yōu)化算法。首先，提出了基于測量序列的非視距誤差鑒別算法；然后，根據(jù)非視距誤差鑒別結(jié)果，首次提出了基于加權(quán)正交多項(xiàng)式擬合的測量參數(shù)重構(gòu)算法和非視距環(huán)境中的定位優(yōu)化算法，并結(jié)合幾何精度因子、均方誤差和克拉默·勞下界等定位性能指標(biāo)對算法進(jìn)行了仿真和比較。
　　2.研究了基于光波測距和電磁波測量的數(shù)據(jù)融合定位技術(shù)。首次提

11、出了多測量點(diǎn)非視距誤差消除和目標(biāo)優(yōu)化定位算法。根據(jù)目標(biāo)與測量端之間的信道狀態(tài)，選擇適當(dāng)數(shù)目的便攜式測距儀、機(jī)載測距機(jī)和激光雷達(dá)等光學(xué)測量平臺對目標(biāo)進(jìn)行距離測量，然后利用電磁波測量技術(shù)對光學(xué)測量平臺進(jìn)行定位測量，最終利用數(shù)據(jù)融合的定位算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的估算，同時(shí)通過全局最小二乘法對定位結(jié)果做進(jìn)一步優(yōu)化，以提高目標(biāo)定位的精確度。
　　3.研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)，首次提出了基于有限元分析和全局優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法。將無線

12、傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位分為三個階段:首先對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始定位，通過信號測量模型和單跳距離測量確定節(jié)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的位置；然后通過網(wǎng)絡(luò)的離散化和單元化將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分成離散的單元，通過在單元內(nèi)建立位移模式和面積坐標(biāo)對初始定位結(jié)果進(jìn)行改善；最后通過加權(quán)優(yōu)化、余差優(yōu)化等方法建立全局優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并通過梯度下降法進(jìn)一步提高目標(biāo)定位的精度。
　　4.研究了定位技術(shù)在AD HOC無線路由協(xié)議中的應(yīng)用，提出了基于節(jié)點(diǎn)位置信息和信號強(qiáng)度的路由協(xié)議