無線通信中的定位技術及其在AD HOC路由策略中的應用.pdf

1、近年來，無線通信目標的定位問題，無論是在軍事領域還是民用領域都受到了廣泛的關注。在軍事領域，無線通信目標的定位廣泛應用于偵察、火力打擊、雷達對抗、通信對抗和光電對抗等各個方面。無線通信目標的定位可以為步兵戰(zhàn)車、火炮、坦克、飛機和艦艇的遠程火控系統(tǒng)以及巡航導彈、彈道導彈的制導系統(tǒng)提供精確的目標位置信息，從而進一步提高火力打擊的準確率。同時，可以合理地利用有限的電子戰(zhàn)資源，提高通信對抗、雷達對抗和光電對抗的作戰(zhàn)效率。在民用領域，定位研究最早

2、起源于美國聯(lián)邦委員頌布的E-911標準，這一標準要求移動通信運營商提供911緊急呼叫目標的定位服務，并且要求定位精度在100米范圍內的概率不小于67％，定位精度在300米范圍內的概率不小于95％。無線通信定位可以提供移動黃頁、導航、計費、飯店/賓館查找等許多民用服務，同時在路邊援助、交通路徑選擇、實時車輛調度以及網絡規(guī)劃和資源配置優(yōu)化等領域也有著廣泛的應用。此外，無線通信定位技術在“物聯(lián)網”領域也有著廣闊的應用前景。
　　無線通信

3、中常用的定位技術主要有電磁波通信定位和光波通信定位，定位參數主要包括距離、俯仰角、信號強度、信號到達時間、到達時間差和信號到達角度等。定位算法則主要使用視距條件下的定位參數測量值，通過三角定位、圓周定位和雙曲線定位等算法對目標進行位置估算。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，當測量點與被測目標之間存在遮擋時，難以實現定位參數的測量；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，使得信號到達接收端的時間遠遠大于視距傳播時信號傳輸所用的時間。相應地，測量得到的定位參數值也會存在高達數百米的非視距誤差，由此解算出的目標位置也會存在很大的偏差。特別地，當目標的位置隨著時間而變動時，非視距誤差會時斷時續(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)間的數據融合。定位測量系統(tǒng)得到的定位參數中，包含時間、距離、距離差、角度、信號強度等不同類型的數據，選取不同的定位算法解算出的目標位置會存在很

6、大差異。如何將不同定位系統(tǒng)得到的定位測量數據進行融合，是提高定位精度的又一重要途徑。第三是無線傳感器網絡的定位。無線傳感器網絡具有節(jié)點分布幾何形狀復雜、參考節(jié)點稀疏、距離測量誤差大等特點，利用傳統(tǒng)的定位算法難以得到節(jié)點位置的精確解，因此無線傳感器網絡的節(jié)點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的AD HOC路由算法。AD HOC無線網絡具有動態(tài)的網絡拓樸結構，而路由的建立則相對較慢，網絡拓樸信息很快就會失效。現有路由的搜索和

7、建立以及維護機制，需要耗費大量的網絡開銷，容易導致網絡的擁塞和信息的丟失，如何將定位技術應用于AD HOC網絡路由策略，以進一步減少網絡的開銷，提高路由算法的效率，是定位技術在無線通信研究領域的一個重要課題。
　　本論文首先介紹了無線通信中定位的應用領域、研究現狀、需要解決的關鍵問題，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，并對光波測距和電磁波信號的到達時間、到達時間差、到達角度、信號強度測量以及相應的定位算法進

8、行了研究，探討了影響無線通信定位精度的主要因素，總結了無線通信定位的主要性能評價指標，并通過仿真對定位算法的性能進行了分析；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式擬合的測量參數重構算法和非視距環(huán)境中的定位優(yōu)化算法，并結合鬧市、市區(qū)、市郊和鄉(xiāng)村等不同信號傳播環(huán)境對提出的算法進行了仿真和分析；同時，提出了基于數據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，并結合不同的測量點數目

9、和系統(tǒng)測量噪聲方差對提出的算法進行了仿真和分析；再然后研究了無線傳感器網絡的定位算法，首次將有限元分析引入無線傳感器網絡定位，通過初始定位、定位改善和定位優(yōu)化三個階段實現無線傳感器網絡的定位，并結合不同的參考節(jié)點數目對提出的算法進行了仿真驗證和分析；最后研究了定位技術在AD HOC無線路由協(xié)議中的應用，提出了節(jié)點位置信息與信號連接強度相結合的路由協(xié)議結構、路由搜索和路由維護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行了仿真和

10、性能比較。
　　論文的主要貢獻:
　　1.研究了基于電磁波通信的非視距誤差抑制算法、參數測量值重構算法和定位優(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，根據非視距誤差鑒別結果，首次提出了基于加權正交多項式擬合的測量參數重構算法和非視距環(huán)境中的定位優(yōu)化算法，并結合幾何精度因子、均方誤差和克拉默·勞下界等定位性能指標對算法進行了仿真和比較。
　　2.研究了基于光波測距和電磁波測量的數據融合定位技術。首次提

11、出了多測量點非視距誤差消除和目標優(yōu)化定位算法。根據目標與測量端之間的信道狀態(tài)，選擇適當數目的便攜式測距儀、機載測距機和激光雷達等光學測量平臺對目標進行距離測量，然后利用電磁波測量技術對光學測量平臺進行定位測量，最終利用數據融合的定位算法實現目標位置的估算，同時通過全局最小二乘法對定位結果做進一步優(yōu)化，以提高目標定位的精確度。
　　3.研究了無線傳感器網絡的定位技術，首次提出了基于有限元分析和全局優(yōu)化的無線傳感器網絡定位算法。將無線

12、傳感器網絡的定位分為三個階段:首先對網絡節(jié)點進行初始定位，通過信號測量模型和單跳距離測量確定節(jié)點在全局坐標系中的位置；然后通過網絡的離散化和單元化將無線傳感器網絡分成離散的單元，通過在單元內建立位移模式和面積坐標對初始定位結果進行改善；最后通過加權優(yōu)化、余差優(yōu)化等方法建立全局優(yōu)化目標函數，并通過梯度下降法進一步提高目標定位的精度。
　　4.研究了定位技術在AD HOC無線路由協(xié)議中的應用，提出了基于節(jié)點位置信息和信號強度的路由協(xié)議