基于WSN的射频定位技术

王振朝，曹永青，韦子辉

（1.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002；2.河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002；3.保定市天河电子技术有限公司 博士后流动站，河北 保定 071051）

物联网被认为是极有可能成为推动下一个经济增长的重要推手之一.世界主要国家均将物联网技术的研究与发展提升到了国家战略之中［1］.随着物联网应用领域的不断拓展，目前物联网定位跟踪技术的应用需求也越来越大.实现物联网定位的主要技术有射频定位技术、光定位技术和声波定位技术，其中声、光（图像识别）系统具有部署复杂度高、造价昂贵的缺点，所以在现实应用中没有得到广泛使用，而射频定位系统的定位精确度较高，并且造价较低，部署相对容易，系统容量大.因此，基于射频定位技术的产品更易为工程师接受.而射频定位技术中GPS只适用于室外使用，GSM／CDMA基站定位无法实现精确定位，只适用于区域定位.目前精确定位技术的发展方向主要是基于WSN的射频定位技术.现有的基于WSN的射频定位技术主要包括 WiFi（无线局域网）、RFID（射频识别定位）、ZigBee、CSS（扩频定位）、UWB（超宽带定位）等［2］.本文对以上几种主要射频定位技术进行了详细介绍，同时提出了进一步的研究方向.

1 WiFi定位技术

WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互连的技术.目前，WiFi网络的接入点遍布于酒店、咖啡厅、学校和医院等场所.利用广泛存在的WiFi网络，对处于楼群密集或者室内的定位目标进行定位，不仅弥补了GPS在建筑密集或者室内应用的限制，扩大了定位服务的应用行业和范围，而且提高了定位精度，降低了部署成本［3］，其系统拓扑结构如图1所示.

图1 WiFi定位系统拓扑结构Fig.1 Topology of WiFi positioning

目前，芬兰的Ekahau公司已经研发出了利用 WiFi信号进行室内定位的RTLS（Real Time Location Systems）系统，该系统的定位精度可以达到1～3m；此外，skyhook公司研发了基于 WiFi的定位系统WPS，该系统能通过WiFi接入点产生准确的位置信息，从而达到对目标物体的定位［4］.伴随着智能手机的普及（几乎均支持WiFi协议），目前已有不少学者研究并设计了基于智能手机的定位系统，如文献［5］中提出的基于Android智能手机的定位系统，此定位系统在离线状态下建立指纹数据库，当有目标需要定位时，可根据手机已有的信息，来确定目标的位置.目前，WiFi定位技术在停车场、矿井等场所也得到了相应的应用.

虽然WiFi定位技术已经在很多领域获得应用，但由于移动终端的电池能源是有限的，加上WiFi收发器主要是为了传输无线大数据量而设计的，具有较高的能耗，因而不能长时间工作，并且现有的WiFi无线定位技术在定位精度、抗干扰能力、能耗控制等方面也都存在一定的缺陷.所以现有的WiFi无线定位技术主要应用于中小范围室内定位，而不具备精确定位的发展前景.

2 RFID定位技术

射频识别技术（RFID）已经被广泛应用到了日常生活中的方方面面.RFID系统通常由标签、读写器、中间件3部分构成，标签由耦合元件及芯片组成，每个标签都有唯一的电子编码，附着在物体上来标识目标，标签又可分为无源标签和有源标签.

RFID定位技术总体上可以分为2大类：阅读器定位和标签定位.在阅读器定位中，阅读器通常附着在跟踪物体上，标签则放在隐蔽位置.为了获得阅读器的位置信息，标签预先放在已知位置.阅读器利用获得的标签位置信息，采用相应的算法估计出自身的位置，相邻标签间隔距离越短，定位精度就越高.在标签定位中，首先利用RFID读写器和多个标签，搭建一个具有一定范围的无线传感网络环境，相对于此环境中位置已知的标签，分别针对环境中的某一未知坐标的标签，做相对信号强度的计算，然后将接收到的未知标签与已知标签之间的相对信号强度信息传送给RFID读取器，再通过中间软件系统加以分析，最后通过分析推算出该未知标签的位置信息.

目前，RFID定位技术在欧美等一些发达国家的应用比较广泛，从物流业到医疗业，再到矿业安全领域，实时数据的获取不仅对作业过程有重大的参考意义，而且在运输过程中对资产的定位追踪以及对资产的管理中都起到了重要的作用.中国对RFID技术的应用还处于发展阶段，目前的应用范围主要集中在识别环境相对简单、识别过程相对静态的情况，例如门禁系统、公交卡付费系统、第二代身份证等［6］.

虽然现有的RFID定位系统既能对固定目标进行定位，又能跟踪运动物体.由于RFID实时定位系统需要特别布置读写器和天线，且读写器之间必须使用专用的数据线相连，施工麻烦，加上其作用距离较短，定位精度相对较差，所以其只能实现区域定位，不具有精确定位的发展前景.

3 基于IEEE802.15.4标准的定位技术

IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人区域网，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为研究的重点，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准.

IEEE于2003年发布了一种低速率通信系统的架构标准IEEE802.15.4－2003，ZigBee便是基于此标准的低功耗局域网协议，物理层和MAC层直接引用IEEE802.15.4－2003无线个人局域网标准协议；ZigBee联盟又在IEEE802.15.4－2003标准的基础上建立了网络层和应用支持层，其中应用层则由用户根据需要自行开发.由于ZigBee技术的巨大发展潜力，以及在几大IC厂商的鼎力支持和推动下，越来越多的ZigBee芯片和模块陆续问世，极大的方便了研究者对产品进行开发.

构建基于ZigBee的射频定位系统，首先需要搭建基于ZigBee的无线自组网，如图2所示.由中心节点，中继路由节点，终端节点和上位机构成.ZigBee定位主要采用了RSSI（received signal strength indicator）的定位解决方案.通过定位引擎接收来自参考节点的信号强度，通过RSSI算法准确计算出需要定位节点的位置，然后将位置信息发送给接收端，RSSI功能降低了网络流量与通信延时，在典型应用中可实现3～5m的定位精度.目前，基于ZigBee技术的定位系统已经在很多领域得到应用，其中包括资产和设备的跟踪、库存控制、远程控制、病人监护、安全监控网络等.

图2 基于ZigBee无线网络的结构Fig.2 Wireless network structure of ZigBee

由于ZigBee定位系统易受干扰、定位精度差，所以近年来对ZigBee所采用的RSSI定位算法进行改进已经成为了一个研究热点，文献［7］中采用加权质心算法，引入加权因子，进行质心坐标计算，从而得出未知节点的位置坐标.针对ZigBee中RSSI算法和加权质心定位算法受到环境等因素影响后，不能接收到全部已知节点定位信息的问题，文献［8］提出利用已知节点间的几何关系计算出未知节点的位置.文献［9］利用节点之间的相似度作为网络盲节点测距和定位的加权系数，对RSSI值进行修正.文献［10］提出了一种基于加权的校正模型和算法，并通过仿真验证了采用加权校正模型能够有效地提高节点定位的精度.

上述修正算法虽然在实验室环境下可部分提高RSSI定位精度，但同样存在算法复杂、适应性差的缺点，并增加了ZigBee定位系统安装调试的难度，所以解决ZigBee定位精度的研究工作仍在继续.

4 基于IEEE802.15.4a标准的定位技术

2002年11月，IEEE开始酝酿建立低速 WPAN（wireless personal area network communication technologies，无线个人局域网）物理层标准IEEE802.15.4a，其目的是提供比IEEE802.15.4更高的传输速率、更低的功耗、更远的传输距离和更低的价格，尤其强调了精确的测距及定位能力.并于2005年3月形成了一个融合多家提案的基本纲要.在这份纲要中，包括有2个可选的物理层：工作于2.4GHz免授权频段的CSS技术和工作于3.1～10.6GHz免授权频段的UWB技术［11］，且IEEE802.15.4a标准于2007年正式公布.

4.1 CSS定位技术

CSS技术源于雷达系统中以Chirp信号为核心的脉冲压缩技术.典型的Chirp信号数学表达式为

其中，μ是扫频率（Hz／s），是中心频率，t是扫频时间（s）.这种用Chirp信号进行扩频的通信方式被称为Chirp扩频（CSS）［12］.

由于CSS技术在测距、精确定位及通信方面的优势，使得CSS定位技术在日常生产和生活中都将具有极大的利用空间.目前，CSS定位系统在有4个基站的区域内便能够实现定位，系统采用了SDS－TWR算法进行测距，该算法经过差分运算能够很好地避免晶振漂移，有效地避免测量误差从而使定位精度得到了提高.在定位过程中，移动标签和基站安装时要尽量可见，这样可减少2～3个db的信号损耗.同时在软件上，针对不同客户在不同工作环境区域内对产品的定位要求不同，则采用的软件算法也不尽相同［13］.

文献［14］提出一种能够适用于复杂室内通信环境的无线传感器网络节点间的测距新方法.该方法利用CSS技术进行通信并实现测距；为了进一步提高测量精度，文章又建立了一种基于最小二乘原理的距离修正数学模型.实验结果表明，该方法具有发射功率低、抗干扰能力强、适合远距离测量等优点，并且所建立的距离修正模型能够有效地减小测量误差.

本献［15］提出了一种基于CSS技术的超宽带信号用于室内的定位技术.具有超宽带特性的CSS信号经过脉冲压缩后，其窄脉冲可以达到ns级别，可用于高精度定位.仿真结果表明，基于CSS技术的超宽带定位技术具有比较高的定位精度，可满足室内高精度定位的需求，具有很高的研究和应用价值.

针对目前中低档汽车的安防系统功能不完善，不能满足大多数用户需求等现状，文献［16］介绍了一种采用CSS定位技术实现适时了解车辆的具体位置及运行情况的定位系统.倘若用户发现车辆有异常情况，可以及时通过手机短信请求控制中心对车辆进行远程控制.紧急情况下控制中心还可以协助报警.经测试，该系统定位准确，采集数据可靠，可适用于多数需要精确定位的场合，具有很高的实用价值.

文献［17］将基于CSS技术开发的室内定位系统应用到火灾等灾害现场，基于CSS技术开发的室内定位系统主要由多个移动节点构成，各节点之间通过相互通信来测量它们之间的相对距离.在火灾等灾害现场救援时，每位救援队员都携带一CSS定位设备，这样便能在烟雾弥漫的建筑物内准确判断周围其他队员与自己的相对距离，并通过相对距离实现对救援人员的定位.

到目前为止，CSS仍然处于发展阶段，依然存在不少问题有待解决，其主要问题是

1）因为Chirp信号在接收端通过匹配滤波器以后会产生很窄的脉冲，如何对该脉冲进行捕获，并且迅速实现收发端同步将会影响系统的性能好坏.所以CSS需要考虑时间的同步，这也增加了系统的复杂度.

2）多径传播将会产生符号间的干扰，影响系统的性能.

4.2 UWB定位技术

UWB技术是无载波通信技术的一种，利用ns至ps级的非正弦波窄脉冲来传输数据.UWB发射的脉冲信号时间很短，不到1ns.使得多径信号在时间上是可分离的，在实际应用中可得到cm级的定位精度.另外UWB不同于传统的中频和射频电路，具有低功耗，传输速率高，穿透能力强等优点.

UWB定位系统主要包括2个部分：测距和定位.

一些典型的测距技术包括接收信号强度（RSS）、到达角度（AOA）、到达时间（TOA）和到达时间差（TDOA），这些技术分别和能量，方向，传输时间以及到达时间差有关.但是基于RSS方法的UWB技术由于对信道参数过于依赖，这使得在非视距条件下所接收到的能量对距离的变化相当敏感，所以无法获得精确的测距估计.AOA方法可以随着UWB信号带宽的增加而实现精确测距，但其需要多根天线，使得系统复杂度增加并且价格昂贵.基于TOA的方法能够提供更准确的测距，并且与RSS和AOA相比成本更低.由于TOA技术要求目的节点和参考节点在时间上保持精确的同步，另外目的节点的发射信号中必须包含时间标记，以便接收的参考节点判断出信号的传输时延.所以TOA定位的定位速度较慢，而且系统内定位标签容量小.与TOA技术不同的是，TDOA技术只需要接收机时间同步，不需要测量绝对时间，实现起来可行性较高，所以此方法在UWB定位系统中得到了更广泛的应用.定位方面，UWB定位算法主要有迭代和非迭代2种算法，其中迭代算法中的泰勒级数展开算法因为具有精度高和鲁棒性强等特点因此在求解非线性定位方程组中得到了广泛应用.

近年来，UWB技术受到了国内外研究者的广泛关注.目前，英国Ubisense公司的Ubisense 7000系统运用到达时间差（TODA）和到达时间角度（AOA）的混合定位算法，利用三维坐标将定位误差降到最小，已经最高可以实现15cm的定位精度.美国Ubise公司开发的Unbise室内定位系统，是由传感器和漫游器组成，当一个漫游器有效时，将发射UWB脉冲和包含识别符在内的传统RF强信号，这被传感器用来确定漫游器的位置，Unbise室内定位系统的精度能够达到15cm，可满足多种应用需求，如人员定位的管理、物流仓库管理、危险生产环境的监控等［18］.

国内对UWB的研究目前还处在理论研究和实验阶段.虽然国内的一些高校，如电子科技大学、北京邮电大学、桂林电子工业学院等在UWB技术的研究方面取得了一定的进展，但总体来说，国内对UWB无线传感器网络的研究和国外相比在实用化方面还存在一定的差距，然而随着国家对UWB无线传感器网络研究的支持，必将对UWB相关产业的发展起到重大的推动作用.

但目前UWB也存在不少问题有待解决，其主要问题是：

1）与其他通信系统的共存和兼容问题，考虑到电磁兼容的问题，UWB发射功率受到严格限制，通信与定位距离通常较短；2）UWB采用的定位算法通常需要精确的时间同步，增加了系统的复杂性，并且固定节点之间需要时间同步线连接，增加了现场应用安装部署难度；3）UWB定位系统复杂性高，难以小型化，并且造价高，使UWB定位系统目前只能应用于实验室环境，无法大规模应用于工业现场环境.

5 射频定位技术的比较及其在实际应用中面临的问题

随着物联网应用领域的不断拓展，定位跟踪技术的应用需求越来越大.在矿井安全、安防、医院人员管理、军事训练等领域，定位跟踪的应用极其迫切.本文分别从基本原理、定位精度、信号带宽、研究现状等角度出发研究了基于WSN的射频定位技术，现将这几种定位技术的基本特点进行总结和比较，如表1所示.

表1 常见的射频定位系统比较Tab.1 Comparison of common RF positioning system

虽然近几年射频定位技术发展迅速，但现有几种定位系统在定位精度、安装使用成本等方面仍无法满足实际应用需求，制约了定位系统的广泛应用，例如：

1）GPS定位存在手持终端体积大、功耗大的缺点且无法适用于室内环境；

2）RFID、WiFi、GSM／CDMA基站定位虽然是对处于楼群密集或者室内定位目标进行定位的较理想的技术，但在定位精度、抗干扰能力、能耗控制等方面都存在一定的缺陷，所以只能实现区域定位，不具有精确定位的发展前景；

3）ZigBee定位系统具有成本低、易安装部署的优点，但其环境适应性较差，容易受外界干扰，无法在工程中应用，并且ZigBee系统不能支持长距离测量；

4）UWB定位系统精度高，但存在定位距离短、安装部署难、成本造价高的缺点，目前UWB技术仍处于研究阶段，理论研究和市场应用尚未成熟，存在一定的技术风险，并且存在与其他通信系统的共存和兼容问题.

6 结束语

目前精确定位技术发展方向主要是基于无线传感器网络的定位技术.本文对几种主要的无线传感器网络定位技术进行了论述，并对其进行了概括总结.根据目前定位技术的发展状况，可以看出现有的射频定位技术在实际应用中仍然存在很多问题，在定位精度、安装使用成本等方面无法满足实际应用的需求，因此制约了定位系统的广泛应用.笔者认为今后重点研究的方向将是如何得到稳定的高精度定位，同时考虑到工业现场大规模应用的需求，定位系统应同时具有低成本、易安装部署、自组网的优点，所以ZigBee定位技术、CSS定位技术以及UWB定位技术将是今后研究的重点.

综上所述，射频定位技术仍然是一个较新的研究领域，因此，今后会有更多的科研工作者关注并加入到该项研究之中，使得射频定位技术获得进一步的发展，能够满足绝大多数现场应用的需求.

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