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无线通信中的定位技术及其在AD HOC路由策略中的应用

薛林  
【摘要】: 近年来,无线通信目标的定位问题,无论是在军事领域还是民用领域都受到了广泛的关注。在军事领域,无线通信目标的定位广泛应用于侦察、火力打击、雷达对抗、通信对抗和光电对抗等各个方面。无线通信目标的定位可以为步兵战车、火炮、坦克、飞机和舰艇的远程火控系统以及巡航导弹、弹道导弹的制导系统提供精确的目标位置信息,从而进一步提高火力打击的准确率。同时,可以合理地利用有限的电子战资源,提高通信对抗、雷达对抗和光电对抗的作战效率。在民用领域,定位研究最早起源于美国联邦委员颂布的E-911标准,这一标准要求移动通信运营商提供911紧急呼叫目标的定位服务,并且要求定位精度在100米范围内的概率不小于67%,定位精度在300米范围内的概率不小于95%。无线通信定位可以提供移动黄页、导航、计费、饭店/宾馆查找等许多民用服务,同时在路边援助、交通路径选择、实时车辆调度以及网络规划和资源配置优化等领域也有着广泛的应用。此外,无线通信定位技术在“物联网”领域也有着广阔的应用前景。 无线通信中常用的定位技术主要有电磁波通信定位和光波通信定位,定位参数主要包括距离、俯仰角、信号强度、信号到达时间、到达时间差和信号到达角度等。定位算法则主要使用视距条件下的定位参数测量值,通过三角定位、圆周定位和双曲线定位等算法对目标进行位置估算。然而,基于光波通信的定位测量容易受到大气、雨雾以及战场烟幕等条件的影响,当测量点与被测目标之间存在遮挡时,难以实现定位参数的测量;基于电磁波的定位测量则对发射端和接收端之间的信道状况信赖度很高,比如在繁华的城市里,密集的高层建筑会遮挡住发射端和接收端之间的信号传播路径,信号只能通过反射和绕射等方式传播,使得信号到达接收端的时间远远大于视距传播时信号传输所用的时间。相应地,测量得到的定位参数值也会存在高达数百米的非视距误差,由此解算出的目标位置也会存在很大的偏差。特别地,当目标的位置随着时间而变动时,非视距误差会时断时续地存在于距离测量值中,对定位算法的鲁棒性也带来了极大的挑战。 无线通信定位中的需要解决的关键问题主要有四个:第一是非视距误差的抑制与消除。发射端信号通过反射、绕射等传播方式到达接收端,其传播距离通常大于发射端和接收端之间的直线距离,电磁波定位测量中会存在非视距误差,与视距环境中的系统测量噪声相比,具有较大的均值和方差。因此,抑制和消除非视距误差的影响是提高定位精度的一个重要途径。第二是不同定位测量系统间的数据融合。定位测量系统得到的定位参数中,包含时间、距离、距离差、角度、信号强度等不同类型的数据,选取不同的定位算法解算出的目标位置会存在很大差异。如何将不同定位系统得到的定位测量数据进行融合,是提高定位精度的又一重要途径。第三是无线传感器网络的定位。无线传感器网络具有节点分布几何形状复杂、参考节点稀疏、距离测量误差大等特点,利用传统的定位算法难以得到节点位置的精确解,因此无线传感器网络的节点定位算法研究具有非常大的挑战性。第四是基于定位技术的AD HOC路由算法。AD HOC无线网络具有动态的网络拓朴结构,而路由的建立则相对较慢,网络拓朴信息很快就会失效。现有路由的搜索和建立以及维护机制,需要耗费大量的网络开销,容易导致网络的拥塞和信息的丢失,如何将定位技术应用于AD HOC网络路由策略,以进一步减少网络的开销,提高路由算法的效率,是定位技术在无线通信研究领域的一个重要课题。 本论文首先介绍了无线通信中定位的应用领域、研究现状、需要解决的关键问题,从电磁波通信和光波通信两个方面论述了无线通信中的定位技术,并对光波测距和电磁波信号的到达时间、到达时间差、到达角度、信号强度测量以及相应的定位算法进行了研究,探讨了影响无线通信定位精度的主要因素,总结了无线通信定位的主要性能评价指标,并通过仿真对定位算法的性能进行了分析;然后研究了非视距环境中的无线通信定位算法,分析了两种主要的非视距误差模型,提出了基于正交多项式拟合的测量参数重构算法和非视距环境中的定位优化算法,并结合闹市、市区、市郊和乡村等不同信号传播环境对提出的算法进行了仿真和分析;同时,提出了基于数据融合的非视距误差消除方法和全局最小二乘定位优化算法,并结合不同的测量点数目和系统测量噪声方差对提出的算法进行了仿真和分析;再然后研究了无线传感器网络的定位算法,首次将有限元分析引入无线传感器网络定位,通过初始定位、定位改善和定位优化三个阶段实现无线传感器网络的定位,并结合不同的参考节点数目对提出的算法进行了仿真验证和分析;最后研究了定位技术在AD HOC无线路由协议中的应用,提出了节点位置信息与信号连接强度相结合的路由协议结构、路由搜索和路由维护方法和基于模拟退火的路由优化算法,并对提出的路由算法进行了仿真和性能比较。 论文的主要贡献: 1.研究了基于电磁波通信的非视距误差抑制算法、参数测量值重构算法和定位优化算法。首先,提出了基于测量序列的非视距误差鉴别算法;然后,根据非视距误差鉴别结果,首次提出了基于加权正交多项式拟合的测量参数重构算法和非视距环境中的定位优化算法,并结合几何精度因子、均方误差和克拉默·劳下界等定位性能指标对算法进行了仿真和比较。 2.研究了基于光波测距和电磁波测量的数据融合定位技术。首次提出了多测量点非视距误差消除和目标优化定位算法。根据目标与测量端之间的信道状态,选择适当数目的便携式测距仪、机载测距机和激光雷达等光学测量平台对目标进行距离测量,然后利用电磁波测量技术对光学测量平台进行定位测量,最终利用数据融合的定位算法实现目标位置的估算,同时通过全局最小二乘法对定位结果做进一步优化,以提高目标定位的精确度。 3.研究了无线传感器网络的定位技术,首次提出了基于有限元分析和全局优化的无线传感器网络定位算法。将无线传感器网络的定位分为三个阶段:首先对网络节点进行初始定位,通过信号测量模型和单跳距离测量确定节点在全局坐标系中的位置;然后通过网络的离散化和单元化将无线传感器网络分成离散的单元,通过在单元内建立位移模式和面积坐标对初始定位结果进行改善;最后通过加权优化、余差优化等方法建立全局优化目标函数,并通过梯度下降法进一步提高目标定位的精度。 4.研究了定位技术在AD HOC无线路由协议中的应用,提出了基于节点位置信息和信号强度的路由协议结构、路由搜索和路由维护方法,通过位置信息限定路由搜索和维护空间,并通过模拟退火算法进行路由优化。最后,对提出的AD HOC路由算法进行了研究和仿真,并同现有的按需路由算法进行了性能比较和分析。


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