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六合网开奖结果现场直播:六合网开奖结果现场直播时间:2018-07-06 14:48
摘要:本文针对物联网范畴亟待突破的室内定位技巧,阐发了室内定位的技巧需求特点以及现有无线电定位技巧的不适用现状,在阐发电力线传输特性的根基上提出了一种基于电力线地位指纹...

  弁言

  以GPS定位技巧为代表的卫星导航技巧正快速转变着我们感知和治理客不雅世界的方法措施。然而,当人们希望借物联网高潮通过空间定位技巧把治理运动引入到治理需求更为频繁和多样的人工建筑体内部时,包括GPS定位技巧在内的无线电定位技巧的局限性便显露无遗,建筑体对无线信号的遮挡,以及远比室外空间要繁杂得多的建筑体内无线信号的流传特性,令传统的无线电定位技巧不再适用,物联网成长因此进入一个技巧及应用的瓶颈期。迄今,业界还没有找到一种既具有技巧适用性,本钱又可接受的室内定位技巧来满足室内治理需求,亟待从技巧原理和规划上实现突破。

  1.室内无线定位的技巧特点与传统无线电定位技巧的适用性阐发

  传统的无线电定位技巧是基于一个适用于室外空间的基础假设,即电磁波流传情况可抱负化为无界限的空间情况,因此得当运用经典无线电流传理论和几何盘算原理进行定位。

  与室外无线电流传情况不合,室内情况中的无线电波流传进程受周边墙体的影响异常年夜,墙体会对电波产生反射、折射、散射、绕射、透射和吸收,此中反射和吸收现象对无线电波流传的影响尤为显着。

  在室内情况,接收设备检测到的无线信号是原流传路径信号与不合反射路径信号的叠加。这种叠加合成的信号,会涌现信号衰落现象,会在相邻码元间产生干扰,这种特性被称作多径效应。多径效应给原无线信号所携带信息的正确接收和提取带来难度。

  室内定位难以避免无线信号收发设备之间的非视距流传(NLOS)问题, NLOS使信号在原流传偏向的能量年夜幅低落甚至被阻断,这将制约以无线电波沿直线流传为基础假设的各类传统无线定位措施。

  传统的无线电定位技巧包括:利用信标节点(如无线基站)与待测目标间信号的到达光阴的TOA(Time of Arrival)或信号到达光阴差的TDOA(Time Difference of Arrival)进行距离换算和几何运算的定位法;利用信号到达角度的AOA(Angle of Arrival)进行几何运算的定位法;利用到达信号强度的RSS(Received Signal Strength)换算出流传距离落后行几何运算的定位法等。

  TOA定位法对信标节点及待测目标之间的信号同步技巧要求异常严,必要增加年夜量硬件本钱,而与其基六合网开奖结果现场直播基本理相通的TDOA定位措施则避开了同步问题,因而人们通常选用TDOA定位法而甚少直接运用TOA定位法。

  TDOA定位法显然易受到NLOS的影响,因此只有在系统收发设备之间的遮挡物对无线信号的反射和吸收处于可接受水平时,即易于检测到并正确解算出TDOA信息时才适用,否则换算成距离进行几何盘算时会呈现偏差。这种要求在工程上是对照苛刻的,由此带来实用性问题。除了NLOS的制约,在室内情况TDOA定位法还需面对多径效应带来的难题。抗多径技巧会年夜幅增加技巧繁杂度,相关技巧的经济性不停难以被接受,目前还不具有实用性。

  AOA定位法要测量来自待测目标的无线电信号的偏向信息,在原理上就不适用于反射和NLOS都存在、甚至可能异常严重的室内情况,前者导致信息流传偏向的错判,后者导致难以检测到流传偏向信息。

  由于室内情况多径效应严重,传统RSS定位法所根据的以无界限抱负情况为前提的电磁波流传衰耗模型不再适用,固然研究新模型或修正模型不停是业界的热点,但截至目前还没有呈现实用化的结果,因而RSS定位法目前也不具实用性。

  2.地位指纹模式匹配无线定位技巧

  本世纪初快速成长起来的基于地位指纹模式的DCM(数据库相关算法,Database correlation method)定位技巧是一种有利于避开多径效应和NLOS的另辟蹊径的新定位技巧【1】【2】【3】。

  在室内情况,由于反射现象严重存在,无线电信号流传路径繁杂,在每一个检测点,信号由不合反射路径抵达叠加后具有与人的指纹特性相类似的唯一性,这种具有物理特征唯一性的无线电信号被称作该检测点的地位指纹。基于地位指纹,运用DCM技巧可实现及时定位。

  基于DCM技巧的地位指纹模式匹配定位技巧分两个阶段实施。在离线阶段,把待测目标所处场点检测到的来自信号基站的无线信号特征参量(登地位指纹,一般取RSS值)记录下来,作为经验数据与场点的地舆地位信息绑定存储在盘算机数据库中;于在线阶段,用及时检测到的现场无线信号特征参量,与数据库中存储的经验地位指纹进行匹配联系关系处置惩罚后,通过映射处置惩罚查找到待测目标的地位坐标,从而实现定位。

  基于DCM技巧的地位指纹模式匹配技巧充分利用了盘算机的快速处置惩罚、年夜容量存储才能,可以有效绕过NLOS、多径效应对信号流传造成的直接影响,可避开物理建模和精准测量盘算等繁杂技巧,与基于几何盘算的无线电定位技巧相比,实现原理和实现技巧相对简单,因而被业界广泛看好。

  地位指纹模式匹配定位系统若配套建设专用基站(如RFID基站),带来系统投入年夜和基站的技巧维护问题。为了低落系统建设本钱,一般借用周边已经存在的通信网络的无线基站信号,如GSM、3G、WLAN等通信基站,而不是重新建设专用定位基站。然则,这些基站是为通信业务而配置,它们在运营进程中呈现信号强度调剂、基站数量增减,甚至地位更改等意外是难以避免的,显然会影响在数据库中存储的经验地位指纹的有效性。这阐明作为DCM的经验数据存在时变性问题,给定位系统的正常定位操作带来隐患,或者说存在着性能完好性问题。一旦呈现上述时变性问题,系统的地位指纹信息数据库必须全面校正,带来的校正工作量是巨年夜的,周期也很长。

  3.基于电力线地位指纹的DCM定位技巧

  近些年来呈现的电力线定位技巧【4】【5】【6】,是一种基于电力线地位指纹的DCM定位新技巧,正逐步引起业界的注意。研究注解【4】,电力线定位技巧的定位精度、技巧繁杂性、功耗和本钱等多项性能均优于基于GSM基站或WLAN基站的地位指纹定位系统。

  电力线定位技巧以低压电力线为信号传输与辐射媒介,低压电力线网络奇特的拓扑布局、繁杂的传输特性付与地位指纹奇特的可辨识特性,加之电力线至室内空间的“天然”通达性,使电力线定位技巧具备了率先突破室内定位瓶颈的技巧潜力。

  3.1基于电力线传输的无线电定位信号的笼罩性

  无线电定位技巧首先要办理信号的笼罩性问题,这是前提条件。与主要以空气为流传媒介的其它无线电定位技巧不合,电力线在定位信号的流传进程中有两重作用,一是通过电力线远距离传导定位信号,二是借助电力线辐射出定位信号形成各场点的地位指纹。

  一般而言,建筑体内的低压电力线系统或称电力线网络总是配置在人员运动或设备安装区域,提供照明用电或用电器接驳口。这些区域正是有物联网治理需求的区域,因此可以说低压电力线网络对这些区域具有“天然”笼罩的特点。年夜多建筑体都是由同一个低压变压器供电,如果在低压变压器的用户线一侧耦合接入定位信号,信号就可以通过电力线网络轻易到达室内有治理需求的区域,实现良好的信号笼罩。

  电力线定位技巧的定位信号通过电力线远距离传导,既利用了电力线作为良导体的传导特性,使信号传送距离更远,笼罩性更好,又避开了信号于建筑体内隔墙传送进程中的NLOS问题,同时减少了信号在传送进程中的多径效应的影响。

  3.2电力线传输特性的地位敏感性与地位指纹可分辨性

  电力线的传输特性比专为信息通信而设计的通信电缆要繁杂得多,当电力线作为通信信道利用时,其传输增益和输入阻抗等特性会依地舆地位转变、频率的变更、光阴的不合而显着地变更【7】【8】【9】。

  图1【7】【8】是实际测得的低压电力线上输入阻抗随频率的变更曲线,图中两条曲线是在同一电力线网络中的不合地舆地位所测得。可见,不合场点所测输入阻抗随频率的变更趋势差别极其显着,注解了其对所处地舆地位极其敏感。

基于电力线地位指纹的抗时变室内定位技巧

图1 输入阻抗与频率的关系

  传输特性的这种对地位的敏感性,一是缘于随距离的增加电力线对信号的快速衰耗,二是与低压电力网中用电器等负荷在地舆空间上无规律散布密切联系关系。用电器接入电力线所引入的负载效应对距离较近的检测点所涌现传输特性的影响会更年夜,即传输特性与用电器地位散布涌现出联系关系性,这种联系关系性可转化为检测点传输特性与检测点所处地位的关系,称作地位敏感性。

  在电力线邻近,周边连成一体的电力线就像一个网络状的特型天线,其辐射出的无线定位信号(地位指纹)在邻近场点涌现出电磁场近场特点。在近场条件下,特型天线辐射区的电磁场特性与空间参量的关系很繁杂,也体现出对地位的敏感性。

  上述信号传输特性或辐射特性所涌现的对地位的敏感性,都有利于电力线定位系统辨识地位指纹随地舆地位的显着变更,即加强了地位指纹的可分辨性。

  3.3电力线传输特性的频率选择性与地位指纹

  电力线传输特性的另一个特点是显着的频率选择性,例如在图1中表现为输入阻抗特性随频率而激烈变更,频率选择性的另一个例子如图2【10】涌现的信道衰减特性随频率的变更,这些都使信号经信道传输后严重失真。电力线的这种频率选择性对信息传输技巧或以信息传输为根基的定位技巧而言,会成为信号接收解调电路的有相当难度的技巧障碍。对付采纳DCM技巧的电力线定位技巧,则因其技巧原理的截然不合而绕开了需接收电路有效恢回覆复兴信号的问题,必要的只是采集并记录在检测点实际的叠加合成信号的电磁特征(用于及时定位时比对映射),频率选择性不再成为技巧障碍。

  传输特性的频率选择性在必然条件下可以被利用起来增加地位指纹信息的可分辨性。图1注解,不合的地舆地位检测到的频率选择性廻然不合,利用这种地位-频率相关性可加强地位指纹的可分辨性。

  3.4电力线传输特性的时变性与地位指纹

  电力线通信系统开发时,最令研发人员头疼的莫过于电力线传输特性的时变性。电力线网络是一个拓扑布局繁杂的网络,网络中用电器的接入或断开都邑影响网络性能,时变性因此广泛存在于电力线网络电特性的各个方面,包括传输特性和干扰特性等。浩繁用电器随机接入/断开对传输特性影响的统计后果也表现出必然的规律,如表现为用电高峰和用电低谷时的较年夜差异,例如图2所示为一个范例测试数据三维图,涌现了电力线传输衰减特性在一天24小时内的颠簸周期,一天内的差别最年夜可达数十分贝。这种颠簸以一天为周期激烈地起伏,而在比一天更长的时段察看,衰减特性的均值还会随低压电力网中年夜量用电器的随机接入/断开而整体上下变更。

基于电力线地位指纹的抗时变室内定位技巧

图2 传输衰减的时变性与频率选择性

  如何办理传输特性随光阴颠簸对地位指纹定位带来的影响,是一个具有挑战性的难题。笔者针对时变性难题提出了一种定位措施和系统实施规划,以适应地位指纹的时变性,从而实现正确定位,在下一章将作一简单介绍。

  4.抗电力线时变性的电力线地位指纹定位技巧办理规划

  笔者提出一种基于电力线地位指纹和DCM技巧的室内定位措施,定位系统由定位信号发生器、移动终端、信息处置惩罚单元、指纹信息数据库、固定感应装置构成。该措施的焦点思想是,配置于已知地舆地位处的固定感应装置准及时反馈地位指纹信息,用以实时调剂数据库中的经验地位指纹信息,以应对传输特性的时变性。

  系统在低压变压器的用户侧配置一个定位信号发生器,它向电力线发送的定位帮助信号选用多个单频信号线性合成一个特征参量矢量。于移动终端和固定感应装置接收并提取的信号矢量(即各单频信号幅度),即为地位指纹信息,反应出所处场点的频率衰耗特性。系统信息处置惩罚单元依据接收到的已知安装地位坐标的固定感应装置反馈的现场及时地位指纹,实时调剂指纹信息数据库中对应区域的经验地位指纹信息。系统信息处置惩罚单元根据接收到的待定位移动终端的地位指纹信息进行DCM处置惩罚(拜见第2章),从指纹信息数据库中映射索查出该终端的即时地位信息。

  室内定位系统一般有两种范例应用模式,一种应用模式是终端自行定位导航模式,另一种是对终端或终端载体进行治理的模式。

  在终端自行定位导航模式下,系统的连接示意图如图3。系统利用了电力线作为传输和辐射媒介,简化了系统布局,移动终端和固定感应装置技巧简单,凸显出较好的经济性或实用性。

基于电力线地位指纹的抗时变室内定位技巧

图3 终端自行定位导航模式配置示意图

  另一种应用模式是对终端或终端载体进行治理的模式。这种应用模式下,系统的连接示意图如图4。这种模式下的信息传输特点是,移动终端通过短距离无线通信链路(例如蓝牙链路)将及时提取的地位指纹信息发给固定感应装置后,再与固定感应装置的反馈信息一起通过电力线通信通道转发至信息处置惩罚单元,从而最年夜限度地利用电力线媒介实现定位,实用性很强。

基于电力线地位指纹的抗时变室内定位技巧

图4 对终端或终端载体进行治理模式配置示意图

  本系统在满足室内定位的技巧需求的同时,作为实用产品具有低本钱优势,主要体现在:技巧简单因而开发本钱低;终端技巧得当集成化因而产品制造本钱有望继承低落;免除了基站和天线的配置,因而系统建设本钱低。

  5.结束语

  本文针对物联网范畴亟待突破的室内定位技巧,阐发了室内定位的技巧需求和现有无线电定位技巧的不适用性,基于对电力线传输特性的阐发提出了一种得当室内定位的电力线定位技巧规划。该规划利用电力线传输特性的频率选择性和地位敏感性形成地位指纹,基于DCM技巧实现定位,运用准及时反馈和调剂机制有效克服电力线信道特性的时变性,可破解室内无线定位难题。

  参考文献

  1)李昊 地位指纹定位技巧【J】《山西电子技巧》2007(5)

  2)Tsung-Nan Lin.Po-Chiang Lin Performance Comparison of Indoor Positioning Techniques Based on Location Fingerprinting in Wireless Network

  【C】 W ireless Networks,Communications and Mobile Computing ,2005 International Conference on Volume 2

  3)H. Laitinen, J. Lahteenmaki, T. Nordstrom. Database correlation method for GSM location.【C】Proc. IEEE Veh. Tech. Conf. (VTC Spring 2001), vol. 4, May 2001

  4)Shwetak N. Patel, et al. PowerLine_Positioning_A_Practical_Sub-Room Level_Indoor_Location_System_for_Domestic_Use【C】 UbiComp2006

  5)Stuntebeck_erich_p, et al.Wideband Powerline Positioning for Indoor Localization 【C】 UbiComp 2008

  6)李娇 基于电力线的室内定位措施研究 【D】 电子科技年夜学硕士卒业论文 2013

  7)高峰等 低压电力线载波通信中信号传输特性阐发 【J】《电力系统自动化》 24(7)

  8)Radford D. Spread~Spectrum Data Leap Through AC Power Wiring 【J】 IEEE Spectrum 1996

  9)仲元昌等 低压电力线的信道特性【J】 《重庆年夜学学报》 2002,9

  10)EN50065-1-2001【S】 CENELEC 2001

标签:物联网世界杂志,物联网

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