基于接收信号能量的目标定位方法研究
基于接收信号能量的目标定位方法研究[20191215144548]
摘 要
无线传感器网络是一种新型的网络技术，由于其可靠性，动态性，自组织性强等众多优势使其在军事、交通、工业、医疗等领域有着广泛的应用前景。其中目标定位技术是无线传感器网络的一项重要应用。我们提出了一个新的方法来对目标定位与跟踪问题的无线传感器网络。通过应用极小极大近似和半定松弛，我们把传统的非线性，非凸问题转化为涉及测量距离和接收信号强度两种不同的目标定位模型的凸优化问题。基于问题的改造，我们开发了一个快速低复杂度的半定规划（SDP）算法两种不同的目标定位的机型。我们的算法可以被用来估计目标位置或用于初始化的非凸最大似然算法。通过 MATLAB 仿真实验验证，目标源强度的实验值具有较高的准确度，所以该算法具有较强的实际应用价值。
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关键字:】最大似然估计半定规划目标定位无线传感网络
目 录
前 言 1
第一章 绪论 2
1.1 无线传感器网络系统 2
1.2 无线定位技术 4
1.2.1 无线定位技术的定义 4
1.2.2 无线定位系统的组成 4
1.2.3 无线定位系统的工作过程简介 4
1.2.4 影响无线定位精度的原因 6
第二章 无线定位技术的综述 7
2.1 无线定位技术的分类 7
2.2 目标位置定位技术 7
2.2.1基于 AOA 的定位技术 8
2.2.2 基于 TDOA 的定位技术 9
2.2.3 基于RSS 的定位技术 9
第三章 无线传感器网络中运用半定规划进行定位 11
3.1 问题陈述 11
3.2 解决方案 13
3.2.1 距离测量的半定松弛 13
3.2.2 接收信号强度的半定松弛 14
3.3 仿真实验 16
3.3.1 距离测量模型 16
3.3.2 接收信号强度测量模型 16
第四章 结论 18
致 谢 19
参考文献 20
附 录 22
一、英文原文 22
二、英文文献翻译 31
前 言
应用加权最小二乘法(WLS)估计问题[1,2]作为解决方案是相当有效的，然而，WLS方法所用到的目标函数其凸集需要服从于局部最小值，即本文中所要着重研究的凸集投影算法（POCS）。因此，需要智能的初始化或特殊条件来保证全局收敛性。为了补救局部收敛问题,基于凸集投影(POCS)的算法已经在[3,4]提出。当目标信号驻留在传感器节点的凸包时，POCS算法在克服局部收敛问题上十分有效，然而，当试图在凸壳找到一个目标信号节点时，POCS算法性能不佳。在这项工作中，WLS方法面临的局部收敛问题和目标信号外凸壳的问题，并结合POCS算法问题得到一个新的解决方法。通过使用极大极小似然估计和半定松弛，将目标信号定位转化为一个近似凸优化问题，这样可以得到问题的整体最小值，且不需要实施覆盖条件。在传感器定位中通过噪声的距离测量和不同的角度的测量进行半定规划(SDP)的应用已经被先前的研究人员研究和引用如[5]，但不是减少测量误差，这个工作将SDP算法与最大的似然估计和极大极小近似值分离。换句话说，SDP算法可以应用于解决加性白噪声测量距离的高斯噪声问题和对数正态衰落接收信号强度的问题。SDP算法可以有效地实现通过标准数值优化工具箱如SeDuMi[6]，实现非常快地收敛。事实上，计算复杂度是多项式-时间[7]，在最糟糕的情况 下，其中在是空间的角度，传感器被放置角度的问题，这特性使得它利用有限的能量对目标进行实时跟踪。
第一章 绪论
1.1 无线传感器网络系统
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）简称传感器网络，是由分布在被监测区域内的数量庞大且廉价微型的传感器节点构成，利用无线通信方式形成的一个多跳的自组织传感器网络系统。它能够通过传感器网络系统中节点间的相互协作进行实时监测、感知识别和采集分布在网络区域中的各种环境或监测对象的信息，并且对这些信息进行相应的实时处理，获得详实的数据，发送到对这些信息有需求的用户。无线传感器网络高度集成了传感器、网络通信和微机电系统等三大技术，在当前国际上受到广泛关注并且由多学科交叉而形成的一个新兴前沿热点研究领域。无线传感器网络系统可以说是信息感知识别和采集的一场变革，将给人们的生活、生产带来极其深远的影响。可以在任何时间、地点和任何环境条件下为人们提供大量确实、可靠的信息，真正体现“计算无处不在”的理念。传感器网络系统在国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域被广泛的应用。传感器节点借助于内置的多种传感器探测元器件，对其所处周边环境进行检测，感知其中是否存在热、红外、声纳、雷达和地震波信号，亦或者是温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多物理现象。各个传感器节点间具有极其稳定的相互协作能力，通过传感器节点间的数据交换来完成全部数据的处理任务。传感器网络还可以通过网关连接到已有的网络基础设施上，进而将其采集到的各类信息传送给远程的终端供其使用。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在一起，将改变人类与自然界之间的相互交流方式。在不久的将来，人们将直接通过分布在四周的传感器网络感知认识客观世界，从而极大地促进人机交互的发展，增强人们认知和改变世界的能力。
无线传感器网络的应用和发展前景一片光明。它不仅被广泛应用于工业、农业、医疗、环境、航空、航天和军事等领域，还可以在将来许多新兴的领域大展拳脚，这就意味着潜藏着巨大的商机，例如，在家庭、防灾、保健、环保、反恐等领域可极大地体现出其许多的优越性。而且，它还可以辅助人类在危险的或者无法达到、工作的环境中工作。目前，业界普遍认为无线传感器网络是人类面临的一次巨大的发展机遇。它将改变人们的生活方式，甚至将引起一场跨时代的军事技术变革和改变未来战争的格局。在一篇美国商业周刊MIT技术评论中提到，预测未来技术发展的报告显示，无线传感器网络将会成为二十一世纪最有影响力和改变世界格局的四大技术之一。我国对无线传感器网络的发展也十分重视，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》在重大专项、优先发展主题以及前沿领域均将传感器网络列入，其中，重大专项“新一代宽带移动无线通信网”被列为其中的重要方向之一[16]。?
节点能量管理：WSN中的能量损耗主要在数据采集、数据计算和数据传输三个方面，通常有下面几种管理策略。?
动态能量管理：基本思路是在节点有监测任务或传输任务时，动态改变节点中一些模块状态，并使节点处于休眠或低功耗状态，必要时才加以唤醒。
?动态电压调度：对处于工作状态的节点根据系统工作负载，调整微处理器操作电压和频率，在满足性能要求的同时降低节点功耗。
?数据融合：将来自多传感器和信息源的数据以及信息加以联合、相关和组合，以减少整个网络的数据流量，达到节能目的。?
拓扑控制：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和层次拓扑控制，使网络的能量消耗达到最小化。?
时间同步机制是WSN的关键技术之一，在WSN中，每个节点都有自己的时钟，由于不同节点的晶体振荡器频率存在误差，再加上环境的干扰，因此，即使在某个时刻，所有节点都达到了时间同步，它们的时间也会逐渐出现偏差。而且由于传统分布式协同系统中的时间同步机制不适于WSN，因而人们在WSN时间同步方面都做了很大的努力，尽量使时间偏差减少。?
传感器的节点定位也是WSN的关键技术之一，是WSN应用的基础，没有位置信息的数据是没有意义的。WSN的定位有两种方法：基于测量距离的定位方法、与测量距离无关的定位方法。GPS全球定位系统是目前应用最为广泛的定位系统，但其耗能高，体积大，成本高，不适合WSN。?
1.2 无线定位技术
利用无线通信和参数测量确定移动终端位置，而定位信息又可以用来支持位置业务和优化网络管理，提高位置服务质量和网络性能。所以，在各种不同的无线网络中快速、准确地获取移动位置信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。无线定位技术是指利用无线电波信号的特征参数估计特定物体在某种参考系中的坐标位置，其最初是为了满足远程航海导航和军事领域精确制导等要求而产生的，20世纪70年代全球定位系统（GPS）的出现使得定位技术产生了质的飞跃，定位精度可达到数十米范围。
1.2.1 无线定位技术的定义
无线定位技术是一种利用基于Wi-Fi技术的射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和传感器等设备，实现定位、追踪和监测特定目标的位置。负责通讯功能的无线网络接入点(Access Point, AP)将收集的Tag(一种轻便、易携带的RFID，使用中通常放置或粘贴在需要定位的物资上)或MU(Mobile?Unit，移动设备)信息发送到AeroScout公司的AeroScout Engine（下面简称为AE），通过AE进行位置计算，然后由AE将计算的位置数据传给图形软件。在图形软件上用户可以通过地图、表格或者报告等多种形式直观的获取物资的位置信息。
1.2.2 无线定位系统的组成
定位系统分为三个部分：需要定位的设备或源、定位信息接收装置和定位系统。需要定位的设备或源，可以是AE司生产的Tag，也可以是MU，即任何符合802.11技术的无线终端或设备，这些设备的特点是都可以定时向周围发送无线信号。?定位信息接收装置，比如采用标准的802.11技术的AP和AE公司的Tag激发器（用于激励Tag发送指定无线信号，但不参与定位信息收集）。?定位系统包括：定位服务器、AE计算软件、各种图形软件等。
1.2.3 无线定位系统的工作过程简介
无线系统中典型组网图，如图1-1所示
图1-1 无线系统中典型组网图
在无线定位系统中，可以实现对下列设备的定位：无线Client、无线AP、Rogue?AP、Rogue?Client、Tag及其他支持无线协议的设备，除Tag之外，目前所有无线设备都会被定位系统识别为MU。
(1)发送Tag和MU消息
Tag消息，即RFID发送的消息。Tag消息能够携带信道信息，为保证更多Tag被AP侦听到，RFID会同时在不同信道发送Tag消息。通常情况下，RFID会首先在用户配置的一个或多个信道轮询发送Ta消息，接下来，会在1、6、11信道周期性轮询发送Tag消息。MU消息，即标准无线设备发送的消息。在这些MU消息中并不包含信道信息，因此AP无法对MU消息进行相邻信道过滤或非法报文过滤。这项工作将由定位服务器根据一定的算法和规则完成。
(2)?AP收集Tag和MU消息AP的工作模式影响AP收集Tag和MU消息
?当AP为监测模式或混杂模式时，可以定位并识别关联或非关联的无线客户端到本设备的无线客户端以及其他无线设备。当AP配置为普通模式时，仅能定位并识别关联到本设备的无线客户端。对于关联到本设备的无线客户端，无线定位系统将其识别为无线客户端；对于非关联到本设备的无线客户端或者其他无线设备，无线定位系统将其统一识别为未知设备。当完成上述设置后，AP开始收集Tag和MU消息。当AP接收到Tag消息（假定此时在射频上已配置为定位Tag，定位服务器也已通知AP开始上报Tag消息），具有监测功能的AP在收到Tag消息后，首先能滤掉与当前AP工作信道不一致的Tag消息，然后AP会检查Tag消息，并将检查通过的Tag消息进行封装并上报定位服务器。
摘 要
无线传感器网络是一种新型的网络技术，由于其可靠性，动态性，自组织性强等众多优势使其在军事、交通、工业、医疗等领域有着广泛的应用前景。其中目标定位技术是无线传感器网络的一项重要应用。我们提出了一个新的方法来对目标定位与跟踪问题的无线传感器网络。通过应用极小极大近似和半定松弛，我们把传统的非线性，非凸问题转化为涉及测量距离和接收信号强度两种不同的目标定位模型的凸优化问题。基于问题的改造，我们开发了一个快速低复杂度的半定规划（SDP）算法两种不同的目标定位的机型。我们的算法可以被用来估计目标位置或用于初始化的非凸最大似然算法。通过 MATLAB 仿真实验验证，目标源强度的实验值具有较高的准确度，所以该算法具有较强的实际应用价值。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】最大似然估计半定规划目标定位无线传感网络
目 录
前 言 1
第一章 绪论 2
1.1 无线传感器网络系统 2
1.2 无线定位技术 4
1.2.1 无线定位技术的定义 4
1.2.2 无线定位系统的组成 4
1.2.3 无线定位系统的工作过程简介 4
1.2.4 影响无线定位精度的原因 6
第二章 无线定位技术的综述 7
2.1 无线定位技术的分类 7
2.2 目标位置定位技术 7
2.2.1基于 AOA 的定位技术 8
2.2.2 基于 TDOA 的定位技术 9
2.2.3 基于RSS 的定位技术 9
第三章 无线传感器网络中运用半定规划进行定位 11
3.1 问题陈述 11
3.2 解决方案 13
3.2.1 距离测量的半定松弛 13
3.2.2 接收信号强度的半定松弛 14
3.3 仿真实验 16
3.3.1 距离测量模型 16
3.3.2 接收信号强度测量模型 16
第四章 结论 18
致 谢 19
参考文献 20
附 录 22
一、英文原文 22
二、英文文献翻译 31
前 言
应用加权最小二乘法(WLS)估计问题[1,2]作为解决方案是相当有效的，然而，WLS方法所用到的目标函数其凸集需要服从于局部最小值，即本文中所要着重研究的凸集投影算法（POCS）。因此，需要智能的初始化或特殊条件来保证全局收敛性。为了补救局部收敛问题,基于凸集投影(POCS)的算法已经在[3,4]提出。当目标信号驻留在传感器节点的凸包时，POCS算法在克服局部收敛问题上十分有效，然而，当试图在凸壳找到一个目标信号节点时，POCS算法性能不佳。在这项工作中，WLS方法面临的局部收敛问题和目标信号外凸壳的问题，并结合POCS算法问题得到一个新的解决方法。通过使用极大极小似然估计和半定松弛，将目标信号定位转化为一个近似凸优化问题，这样可以得到问题的整体最小值，且不需要实施覆盖条件。在传感器定位中通过噪声的距离测量和不同的角度的测量进行半定规划(SDP)的应用已经被先前的研究人员研究和引用如[5]，但不是减少测量误差，这个工作将SDP算法与最大的似然估计和极大极小近似值分离。换句话说，SDP算法可以应用于解决加性白噪声测量距离的高斯噪声问题和对数正态衰落接收信号强度的问题。SDP算法可以有效地实现通过标准数值优化工具箱如SeDuMi[6]，实现非常快地收敛。事实上，计算复杂度是多项式-时间[7]，在最糟糕的情况 下，其中在是空间的角度，传感器被放置角度的问题，这特性使得它利用有限的能量对目标进行实时跟踪。
第一章 绪论
1.1 无线传感器网络系统
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）简称传感器网络，是由分布在被监测区域内的数量庞大且廉价微型的传感器节点构成，利用无线通信方式形成的一个多跳的自组织传感器网络系统。它能够通过传感器网络系统中节点间的相互协作进行实时监测、感知识别和采集分布在网络区域中的各种环境或监测对象的信息，并且对这些信息进行相应的实时处理，获得详实的数据，发送到对这些信息有需求的用户。无线传感器网络高度集成了传感器、网络通信和微机电系统等三大技术，在当前国际上受到广泛关注并且由多学科交叉而形成的一个新兴前沿热点研究领域。无线传感器网络系统可以说是信息感知识别和采集的一场变革，将给人们的生活、生产带来极其深远的影响。可以在任何时间、地点和任何环境条件下为人们提供大量确实、可靠的信息，真正体现“计算无处不在”的理念。传感器网络系统在国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域被广泛的应用。传感器节点借助于内置的多种传感器探测元器件，对其所处周边环境进行检测，感知其中是否存在热、红外、声纳、雷达和地震波信号，亦或者是温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多物理现象。各个传感器节点间具有极其稳定的相互协作能力，通过传感器节点间的数据交换来完成全部数据的处理任务。传感器网络还可以通过网关连接到已有的网络基础设施上，进而将其采集到的各类信息传送给远程的终端供其使用。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在一起，将改变人类与自然界之间的相互交流方式。在不久的将来，人们将直接通过分布在四周的传感器网络感知认识客观世界，从而极大地促进人机交互的发展，增强人们认知和改变世界的能力。
无线传感器网络的应用和发展前景一片光明。它不仅被广泛应用于工业、农业、医疗、环境、航空、航天和军事等领域，还可以在将来许多新兴的领域大展拳脚，这就意味着潜藏着巨大的商机，例如，在家庭、防灾、保健、环保、反恐等领域可极大地体现出其许多的优越性。而且，它还可以辅助人类在危险的或者无法达到、工作的环境中工作。目前，业界普遍认为无线传感器网络是人类面临的一次巨大的发展机遇。它将改变人们的生活方式，甚至将引起一场跨时代的军事技术变革和改变未来战争的格局。在一篇美国商业周刊MIT技术评论中提到，预测未来技术发展的报告显示，无线传感器网络将会成为二十一世纪最有影响力和改变世界格局的四大技术之一。我国对无线传感器网络的发展也十分重视，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》在重大专项、优先发展主题以及前沿领域均将传感器网络列入，其中，重大专项“新一代宽带移动无线通信网”被列为其中的重要方向之一[16]。?
节点能量管理：WSN中的能量损耗主要在数据采集、数据计算和数据传输三个方面，通常有下面几种管理策略。?
动态能量管理：基本思路是在节点有监测任务或传输任务时，动态改变节点中一些模块状态，并使节点处于休眠或低功耗状态，必要时才加以唤醒。
?动态电压调度：对处于工作状态的节点根据系统工作负载，调整微处理器操作电压和频率，在满足性能要求的同时降低节点功耗。
?数据融合：将来自多传感器和信息源的数据以及信息加以联合、相关和组合，以减少整个网络的数据流量，达到节能目的。?
拓扑控制：在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和层次拓扑控制，使网络的能量消耗达到最小化。?
时间同步机制是WSN的关键技术之一，在WSN中，每个节点都有自己的时钟，由于不同节点的晶体振荡器频率存在误差，再加上环境的干扰，因此，即使在某个时刻，所有节点都达到了时间同步，它们的时间也会逐渐出现偏差。而且由于传统分布式协同系统中的时间同步机制不适于WSN，因而人们在WSN时间同步方面都做了很大的努力，尽量使时间偏差减少。?
传感器的节点定位也是WSN的关键技术之一，是WSN应用的基础，没有位置信息的数据是没有意义的。WSN的定位有两种方法：基于测量距离的定位方法、与测量距离无关的定位方法。GPS全球定位系统是目前应用最为广泛的定位系统，但其耗能高，体积大，成本高，不适合WSN。?
1.2 无线定位技术
利用无线通信和参数测量确定移动终端位置，而定位信息又可以用来支持位置业务和优化网络管理，提高位置服务质量和网络性能。所以，在各种不同的无线网络中快速、准确地获取移动位置信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。无线定位技术是指利用无线电波信号的特征参数估计特定物体在某种参考系中的坐标位置，其最初是为了满足远程航海导航和军事领域精确制导等要求而产生的，20世纪70年代全球定位系统（GPS）的出现使得定位技术产生了质的飞跃，定位精度可达到数十米范围。
1.2.1 无线定位技术的定义
无线定位技术是一种利用基于Wi-Fi技术的射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和传感器等设备，实现定位、追踪和监测特定目标的位置。负责通讯功能的无线网络接入点(Access Point, AP)将收集的Tag(一种轻便、易携带的RFID，使用中通常放置或粘贴在需要定位的物资上)或MU(Mobile?Unit，移动设备)信息发送到AeroScout公司的AeroScout Engine（下面简称为AE），通过AE进行位置计算，然后由AE将计算的位置数据传给图形软件。在图形软件上用户可以通过地图、表格或者报告等多种形式直观的获取物资的位置信息。
1.2.2 无线定位系统的组成
定位系统分为三个部分：需要定位的设备或源、定位信息接收装置和定位系统。需要定位的设备或源，可以是AE司生产的Tag，也可以是MU，即任何符合802.11技术的无线终端或设备，这些设备的特点是都可以定时向周围发送无线信号。?定位信息接收装置，比如采用标准的802.11技术的AP和AE公司的Tag激发器（用于激励Tag发送指定无线信号，但不参与定位信息收集）。?定位系统包括：定位服务器、AE计算软件、各种图形软件等。
1.2.3 无线定位系统的工作过程简介
无线系统中典型组网图，如图1-1所示
图1-1 无线系统中典型组网图
在无线定位系统中，可以实现对下列设备的定位：无线Client、无线AP、Rogue?AP、Rogue?Client、Tag及其他支持无线协议的设备，除Tag之外，目前所有无线设备都会被定位系统识别为MU。
(1)发送Tag和MU消息
Tag消息，即RFID发送的消息。Tag消息能够携带信道信息，为保证更多Tag被AP侦听到，RFID会同时在不同信道发送Tag消息。通常情况下，RFID会首先在用户配置的一个或多个信道轮询发送Ta消息，接下来，会在1、6、11信道周期性轮询发送Tag消息。MU消息，即标准无线设备发送的消息。在这些MU消息中并不包含信道信息，因此AP无法对MU消息进行相邻信道过滤或非法报文过滤。这项工作将由定位服务器根据一定的算法和规则完成。
(2)?AP收集Tag和MU消息AP的工作模式影响AP收集Tag和MU消息
?当AP为监测模式或混杂模式时，可以定位并识别关联或非关联的无线客户端到本设备的无线客户端以及其他无线设备。当AP配置为普通模式时，仅能定位并识别关联到本设备的无线客户端。对于关联到本设备的无线客户端，无线定位系统将其识别为无线客户端；对于非关联到本设备的无线客户端或者其他无线设备，无线定位系统将其统一识别为未知设备。当完成上述设置后，AP开始收集Tag和MU消息。当AP接收到Tag消息（假定此时在射频上已配置为定位Tag，定位服务器也已通知AP开始上报Tag消息），具有监测功能的AP在收到Tag消息后，首先能滤掉与当前AP工作信道不一致的Tag消息，然后AP会检查Tag消息，并将检查通过的Tag消息进行封装并上报定位服务器。
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