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无线网络技术的应用特点

在进行无线网络技术应用的过程中,可以对外界环境的变化进行有效的感知,进而进行更深层次的理解和学习,还可以对通信网络内部的所有资源进行高效的配置和调整,以此来适应外界环境的改变。在进行这项技术应用的过程中,要充分借鉴无线认知网络技术,要对频谱增长的需求进行有效的满足。还要对频谱需求和资源之间的冲突进行协调,要对频谱资源短缺问题进行改变,确保频谱的应用效率能够得到提高。当前,在进行技术应用的过程中,主要存在频谱感知技术和频谱共享技术以及动态接入技术等。频谱共享技术在应用的过程中,可以根据管理的干扰项,提高用户的频谱应用概率。还可以从不同层面进行分类,根据网络构架将其划分为不同的类型。

集中式网络构架是通过中心服务器对所有用户信息进行集中的处理,分布式网络构架可以通过认知终端对其他空闲的频谱进行明确的计算。还可以根据不同分配频谱的方式,将其划分为协作式频谱和非协作式频谱,在进行频谱共享的过程中,可以采用填充式的共享形式,在空闲时还可以降低其他因素的干扰。在进行频谱感知技术应用的过程中,这项技术属于核心技术,可以通过频谱的空洞和时域以及发现频率,为用户提供更具价值的频谱。

事实上这项技术在应用的过程中,可以对用户的信号进行自主的检测。可以对循环平稳特征进行检测,也可以对匹配滤波器进行检测,还可以对能量进行检测。

下面对一些主要的定位技术进行介绍

(1)超声波定位技术

目前大多数超声波定位通过计算由超声波发射器发射超声波到接收由物体反射的回波所经历的时间,再结合声速计算距离,这种方法称为反射式测距法。这种定位系统由一个带超声波设备的待定位端和若干个已知位置坐标的信标组成,待定位端一般放置于移动物体上,各个信标布置于室内空间,其坐标已知。该系统由安放在移动物体上的主测距仪和放置于室内空间固定位置的多个电子标签组成。很多时候会将超声波与其他无线技术相结合的方法来达到同样的定位目的,比如将超声波与射频技术结合实现位。这种方法利用测量两种信号的TDOA,得到超声波和射频信号从发送到接收之间的距离,基于距离采用三边定位方法解算出待定位对象的坐标。由 MIT 开发的 Cricket 系统便是采用这种方法。

也有采用多超声波技术进行室内定位的。使用这种方法前期需要将待定位空间分区,在移动物体上装四个甚至多个的不同朝向的超声波发射传感器,最终的坐标数据是由这些超声波传感器的距离数据计算出来的,将数据绘制成运动轨迹就实现了移动物体的运动侦测。该方法抗干扰性较强,精度较高。但是并不适用于室内环境多变的地方,应用场景比较单一。

用超声波技术的所得测得的距离可以达到厘米级的精度,已经算是很高的了。采用超声波技术可以使系统的结构相对简单,且光线不会对超声波造成干扰。缺点是超声波信号在空气中会衰减,民用的小型超声波探头传输距离只能达到米级。如果是采用反射式测距,还会受到多径效应的影响,本身超声波是视距传播方式,因此它并不适用于大型场合。另外,采用超声波传感器的发射节点一般需要不断广播超声波信号,这对于整个网络也是一笔不小的开销,增加了硬件设施的成本。

(2)红外线定位技术

由 AT&T 开发的 Active badges就是典型的红外线室内定位系统,它由三个部分组成:待定位标签、已知位置的传感器标签和定位服务器。待测物体上安置一个具有红外线发射能力的电子标签,它向室内已知位置的红外接收机以固定周期或被要求的情况下发送该待测物的唯一标识号,接收机再将数据传输给定位服务器。服务器将接收到其信号的传感器位置当做待定标签的位置,所以 Active badges 是按照区域划分来实现定位的。

采用红外线和超声波的定位方法可以考虑将红外线与超声波技术相结合,这样同样能实现定位功能。本文的方法便是用此方法,利用红外线和超声波同时发送信号,室内固定位置的接收端接收测量信号,通过检测接收端接收到两种信号的时间差,采用 TDOA 基本算法实现测距定位。这种将有线转化为无线的设施布置方法降低了系统布置的难度。

(3)超宽带定位技术

超宽带(Ultra-Wide-Band,简称 UWB)定位技术是一种不用载波的无线通信技术,它使用宽度极低的非正弦波脉冲传输数据,在很宽的频带上发送一列窄脉冲,同时低功率发送。由于其传输速率高,近年来成为室内定位采用的热点技术。采用 UWB 的室内定位技术具有很强的抗干扰性,较低的功率等优点,其室内定位精确较高。UWB 室内定位技术基于 TDOA 定位算法,发送和接收无线系统极窄脉冲信号,通过信号到达的时间差,通过双曲线交叉点获得定位点。UWB IPS 主要包括 UWB 发射部分,UWB 发射标签,如图 1-1 所示。在定位过程中,UWB接收机接收到通过 UWB 接收机发送的 UWB 信号,得到具有有效信息的信号。最后通过中央处理器计算得到定位结果。
在这里插入图片描述
Zebra 公司生产的 Dart和由剑桥大学贝尔实验室团队研发的 Ubisense7000就是典型的基于超宽带技术的室内定位系统,其中 Ubisense 采用三边定位方法,精度在 6cm 到 10cm,不过其成本也很高。

(4)射频识别(RFID)室内定位技术

该室内定位系统通过分析RFID信号强度,计算贴有标签的待定位目标的坐标。该系统主要由射频识别标签、读卡器和他们之间的微型天线构成。读卡器读取标签的原理是标签在读卡器发射的电磁场中由于电磁感应原理可以给标签上电。标签得到能力后将识别码等信息调制到载波由天线发射出去,读卡器对接收到的信号进行解调后送至后台计算机处理。RFID室内定位技术拥有响应速度快,非视距等优点。待定位物体的坐标准确度由已知坐标的参考标签的布置密度来决定,由于采用RSSI的方法,故受室内环境的影响较大,抗干扰能力较差。室内定位系统SpotOn和LANDMARC就是基于RFID。已经有基于RFID的室内定位系统用于工厂或商场的货品流转定位。

(5)蓝牙室内定位技术

蓝牙室内定位技术也是基于路径损耗模型,根据接收到的蓝牙的信号强度由经验公式得出蓝牙发射点与接收站之间的距离,再根据三角定位原理进行室内定位。

由于现在带有蓝牙的智能终端不计其数,因此可以利用智能终端的蓝牙来轻松实现定位,就地取材便能够对开启蓝牙的设备进行定位,降低多余设备成本,蓝牙的功耗也较低。采用信号强度指示的蓝牙定位方式不受视距影响。缺点也是因为采用了信号强度指示距离的方法,因此测量结果的精度较差,系统稳定性不是很好,且易受环境的波动而波动,也会受其他一些噪声信号的干扰。

(6)Wi-Fi室内定位技术

对于Wi-Fi定位技术,有的通过待定位设备和多个Wi-Fi发射器之间的信号强度指示得出距离,再通过三角定位方法来定位。也有采用Wi-Fi指纹的定位方式,即有一个数据库存放有事先记录的海量的已知坐标点的信号特征,通过对待定位设备的接收信号强度等特征与库里的信号特征进行一一对比后,把具有最相似的信号特征的坐标点作为待定位设备的坐标,这种通过查找最相似信号特征的方法叫做指纹定位法。由于路由器以及带有Wi-Fi的便携式智能终端非常普及,因此可以就地取材,降低硬件铺设成本,应用范围可以很广泛。但其室内定位精度不高,且受环境变化的影响较大。另外,它对于数据库指纹信息的依赖很高,这部分的硬件成本也较高。

(7)ZigBee室内定位技术
大量的廉价参考节点被铺设到待定位的区域,这些节点通过ZigBee无线通信技术的方式组成一个较大的网络系统。当待定位的节点进入某个区域时,通信距离内的那些节点可以快速地采集到待定位节点的所有信息,同时通过网络将信息发送给所有的其他参考节点,最终传回给主机,通过主机计算后得到定位结果。ZigBee布置方便,功耗低。ZigBee定位示意图如图1-2所示。
定位示意图
这种新型的短距离无线通信定位方式一直是室内定位技术中研究的热点,它功耗低,成本较低,且工作效率也很高。ZigBee室内定位已经应用在了某些场合,例如用在了车管理工人执勤情况。真正大范围商用的室内定位系统还没有出现,而室内定位技术的研究也从没有停止,研究者们尝试用各种方法来探索定位的方向。除了上述所介绍的一些定位方式,还有很多其他的一些不是那么主流的定位技术,例如光源跟踪定位、计算机视觉定位、磁场定位等等。目前这些大部分技术都只是处在实验室研究试验阶段,但对于室内定位的发展做出了不可磨灭的贡献。

1.3国内外研究现状

本世纪室内定位仍然是学术界研究的热点,目前国内外主要的定位方案有以下几种。

(1)基于红外线的室内定位系统

基于红外线技术的室内定位系统有AT&T剑桥实验室开发的名为ActiveBadge的系统。

该系统按照区域划分来实现定位,将大量的红外接收基站布置在室内,这些基站的位置已知,可以发送数据到主控中心。在待定位的移动物体上装有红外线发射器,每个发射器周期性地发射各自唯一的身份标识号(ID)。当待定位物体移动到接收基站的某个区域覆盖接收基站后,发射器的ID被接收基站识别并将识别结果发送给主控中心,主控中心因此来确定移动物体的位置。该定位方法实现的是房间级定位。RFcode公司也采用原理相似的红外线定位方案,该系统主要由3个部分组成,它们是红外线定位发射器、红外定位标签和定位基站。

(2)基于超声波的室内定位系统

AT&T实验室开发的Bat室内定位系统采用超声波技术定位。该系统由三部分组成,超声波发生器与接收器,还有中心服务器。超声波发生器固定在待定位目标上,超声波接收器布置在室内。工作时,中心服务器按一定周期发送信号控制超声波发生器发射超声波,超声波接收器接收到超声波信号后,求出接收到射频信号和超声波信号的时间差,从而计算出超声波发射与接收端的距离值,最终定位移动目标。MIT开发的名为Cricket室内定位系统也是采用射频与超声波的TDOA,利用超声波和射频信号的到达时间差(TDOA)来测量信发送与接收端之间的距离,根据距离再用三边定位方法计算待定位节点的位置坐标。UCLA开发出了Cricket的改进版定位系统AHLos,采用分布式结构解决了定位锚点稀疏的问题。

(3)基于WLAN信号的室内定位系统

微软研究院推出RADAR定位系统采用查找Wi-Fi信号指纹库的方法实现室内定位,前期基于信号强度指示(RSSI)建立大量的各个位置的信号信息。当待定位设备进入WLA无线信号的覆盖区域,检测该位置的信号强度等信息,发送给Wi-Fi指纹数据库服务器进行比对,找到最佳的指纹所对应的位置坐标即是待定位点的坐标。WifiSLAM是苹果公司于2013年3月24日收购的室内地理位置服务厂商。WifiSLAM在利用WLAN信号定位的基础上采用模式识别和机器学习技术,定位设备上安装有很多不同种类的传感器,根据这些传感器传回的数据与Wi-Fi定位的数据结合进行相关性分析,从而绘制更准确的室内定位图。

北京智慧图科技有限公司开发出了Wi-Fi室内定位系统,他们的Wi-Fi实时室内监控系统主要由手机或定位标签、无线网络基础设施(Wi-Fi接入点)和后台监控管理中心组成。该定位系统的无线局域网络要求室内任意位置可以收到3个以上的AP信号。

(4)基于卫星信号的室内定位系统

澳大利亚Locata公司的Locata系统与GPS类似,将GPS信号发射器布置在地面。该系统结合了GPS,能够将定位从室内切换到室外。
我国采用的羲和系统采用了与其相似的技术,是Locata系统的升级版。羲和系统直接与北斗系统相连接,增设移动通信直放站和室内增补系统。基于协同实时精密定位,能够实现无缝的多精密导航定位服务。

(5)基于蓝牙的室内定位系统

诺基亚采用的是HAIP技术(HighAccuracyIndoorPositioning),于2011年提出HAIP室内精确定位解决方案。该方案中所采用的蓝牙技术具有很强的指向性。在建筑物顶部布置已知高度的定位发射台天线,通过发射台和蓝牙模块通就算天线角度等信息完成自身的2D定位;当增加发射台天线后,便携式待定位设备还可以增加2D位置的可靠性和准确性,或者获得自身的3D定位。据称这种发射台的成本低,功耗也较低,一台或多台均可完成定位。这种发射台定位范围最大可以达到100m100m,定位精度在30cm到100cm之内。

(6)基于超宽带信号的室内定位系统

英国Ubisense公司开发的室内定位系统是采用UWB(超宽带)定位技术。它用多个传感器产生UWB脉冲信号,采用TDOA和AOA定位算法得到标签位置。官方宣称,其多径分辨能力强,精度高,在一米以内。阿斯顿马丁公司和宝马公司采用了Ubisense的定位系统。

(7)基于惯性导航的室内定位系统

2014年4月4日,博通发布了新芯片BCM4752,该芯片通过Wi-Fi、蓝牙、甚至NFC技术实现三维定位功能(包括你所在位置的高度)。该系统可以利用GPS记录下待定位目标的进入点,通过加速度计计算获得前进距离,通过陀螺仪计算获得行走方向,再利用高度计获得高度,从而做到无死角的位置获取。由于智能手机的普及,博通公司打算该芯片内置到智能手机。

(8)基于灯光的室内定位系统

美国ByteLight公司提出的LED室内定位系统通过LED灯在天花板上,发出的闪烁信号类似莫斯电码,通过智能手机摄像头接收和检测,该系统定位精度可在1m以内。

(9)基于地球磁场的室内定位系统

IndoorAtlas是一家刚成立不久的公司。该公司专注于提出室内定位导航解决方案,由芬兰奥卢大学(UniversityofOulu)提出。IndoorAtlas的方案基于地球磁场的唯一性特征进行定位。一开始需要通过对磁偏角和磁场强度构建定位区域的地磁地图。构建地磁地图的过程是,首先用户需要手持移动设备在室内采集各个地方的地磁信息,将信息连同建筑平面图上传到IndoorAtlas的服务器。最后,使用IndoorAtlas提供的应用就可以开始使用他们的定位功能了。定位时,手机采集上的磁感应器采集到相应的数据,与先前生成的地磁地图进行匹配,根据匹配的数据反过来得到坐标,从而确定了自身的位置。
表1-1列出的是近年来国内外公司的室内定位技术的比较,包括定位精度、采用的技术原理、成本功耗的比较。由表可知,基于计算机视觉的定位方法的精度最高,但是它的成本和功耗也是最高的。而采用红外线和超声波来作为定位的媒介的定位方法,其定位精度能达到厘米级,并且其成本和功耗也不会太高,他们的定位原理大都采用到达时间差的方法测距,最后根据三边定位方法计算出用户的位置。故本课题采用红外和超声结合的方法作为定位方案。定位技术比较

无线网络技术在卫星通信中的具体应用

(1)用户域感知技术的具体应用

这项技术在应用的过程中,可以满足通信政策的要求和用户的需求。通常情况下,不同群体的用户需求存在较大的差异,要对用户不同的爱好需求进行尽量的满足。卫星在进行语音通信时,能够对用户的语音业务进行明确。但是在对这项技术进行综合应用时,还需要满足用户的体验需求,要对所有的干扰因素进行充分的考虑。在进行通信视频建设的同时,还要对网络延迟等指标进行考虑,要满足用户的基础要求。

(2)环境域感知技术的具体应用

要想提高卫星通信系统的抗干扰能力,就要保证卫星通信线路在运行时更加的安全稳定。需要建立一个感知电磁环境,然后对频谱特征信息进行全面的了解,要提高这个环境自身的抗干扰能力。在卫星通信网络建设的过程中,环境感知技术已经进行了相应的发展,将这项技术和无线网络技术进行综合应用,可以建设一个异构网络。但是这个网络在运行的过程中,也会受到一系列因素的干扰,所以要采用针对性的抗干扰措施,确保信号在传输的过程中更加的合理。

(3)网络域感知技术的具体应用

在进行卫星通信网络体系建设的过程中,所应用的网络感知技术存在两部分内容,也就是说网络特性感知技术和网络承载业务特性感知技术。这项技术包含了感知资源的占有情况和卫星特性的感知情况。资源的占有情况感知,主要是对资源的应用概率进行评估,同时系统在空闲时间可以对一些闲置的网络资源进行有效的应用。可以对现有的网络资源进行动态的调整,无线网络中的卫星网特性感知,是通过保障感知和网络种类以及业务协调进行支撑的,需要对网络层面的信息进行全面的掌控。在进行业务感知的过程中,要对现有的业务数据进行有效地识别,要根据不同业务的具体需求来提供相应的资源。在进行这项技术应用的过程中,需要满足所有业务的个性化需求,而且要提高识别的准确性。

个人看法

还有很多方面需要探索和改进。未来的工作内容主要包括以下几个方面:
(1)为了得到响应速度更快、实时性更好的定位效果,因此可以适当提高数据的采集速率和优化计算方式。
(2)提高系统的稳定性,减少出错率,使系统能够长期稳定的运行,使得系统更符合实际应用场景下的要求。系统的稳定运行对于定位系统非常重要,只有增加定位系统的稳定性和降低出错率才能够获得用户的信任。
(3)采用运动轨迹的三维空间拟合算法,这对于提高定位的精度和显示效果有很大的帮助。
(4)由于现在智能设备已经相当普及,考虑将该系统的显示控制终端移植到智能终端上是一个不错的选择,这样可以极大提高该定位系统对于用户的便携性,有利于在系统成熟后的实际应用推广。

当然在进行无线网络技术应用的过程中,不仅可以提高定位的效能,还可以引导卫星通信网络向着异构网络进行融合的发展。因为卫星网络比较典型,资源经常受到限制,尤其是转发器的资源非常宝贵。现代的卫星网络发展速度比较快,在进行通信体制建设的过程中,存在多种地址,组网方式也变得更加广阔,这种网络的发展趋势已经向着多种地址和多种组网方式等方向进行了融合。但是卫星网络的智能化水平比较低,会受到各种因素的影响,要通过无线网络技术的引入来提高智能化程度。


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