多频段无设备目标定位研究

发布时间：2020-06-14 19:21

【摘要】：随着无线通信技术的进步,定位技术得到了迅速的发展和普及。如今,位置信息已经成为了人们日常生活中不可或缺的基础信息之一。GPS定位技术已经成为人们日常出行的常用手段,但由于GPS信号固有的弱穿透性问题,GPS定位技术在室内和城市峡谷等区域往往无法正常使用。由于人们对位置信息的需求不断提升,因此近年来涌现出了许多基于民用通信设施的无线定位技术,例如蓝牙定位和WIFI定位等。然而,传统定位技术都存在一个共同的缺陷,即都需要被定位目标携带相应的设备,与基站或锚节点进行通信。随着人类社会的发展,基于位置信息的新需求和新应用层出不穷。在一些特定的应用场景,如救援现场、入侵检测、安全监控、特殊情况下的老人照料等,目标无法或者不愿意携带任何定位设备,传统定位技术往往随之失效。为了克服这个问题,基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的无设备目标定位技术(Device-free Localization,DFL)被提了出来。DFL技术通过监测区域中目标对无线链路的影响来反演目标位置,无需目标携带任何定位装置,因此基于WSN的DFL技术一经提出,便受到了广泛关注。由于2.4GHz频段为ISM(Industrial Scientific Medical)开放频段,且具有受目标影响时RSS值变化明显的优点,因此目前DFL系统大多建立在2.4GHz频段。但2.4GHz频段同时存在着WIFI、蓝牙、ZigBee等多种信号,相互之间干扰严重,而且2.4GHz频段信号具有传输距离较短等弊端,这些因素制约了 2.4GHz频段DFL系统的定位性能和使用场合。近几年,为了克服2.4GHz频段DFL系统的不足,也出现了一些其他频段的WSN系统(例如800/900MHz、FM频段等),但是在使用这些频段WSN进行定位时,又损失了 2.4GHz频段信号的优势。针对这个问题,本文从多频段DFL平台研制和如何利用多频段互补信息入手,对多频段DFL定位算法进行了深入研究。论文主要工作和研究成果包括以下几个方面:(1)自主设计和开发了多频段DFL系统。该系统由2.4GHz频段、433MHz频段和915MHz频段的三套WSN构成。其中2.4GHz频段无线节点模块以TI公司的ZigBee芯片CC2530为核心构造,433MHz和915MHz频段的无线节点模块由STC90LE58RD+型单片机和Silicon公司的芯片Si4463为核心组成。三个频段的WSN系统都采用循环机制实现了组网功能。(2)给出了一种多频段射频层析成像(Radio Tomographic Imaging,RTI)融合定位和目标检测方法。由于各频段所受环境噪声干扰不同,因此各频段所呈现的RTI结果图也是不尽相同的。从这点出发,本文首先设计了一种基于通信质量信息的多频段RTI图像加权融合方法,该方法一定程度减轻了伪目标和背景噪声的干扰。接着,为了应对RTI结果图中难以避免的伪目标和背景噪声对定位精度的影响,本文设计了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的RTI目标检测方法,有效地提高了定位精度。(3)给出了基于联合稀疏模型的多频段DFL相关匹配追踪算法。该算法通过分析压缩感知(Compressive Sensing,CS)框架中DFL权重字典部分原子间的高相关性问题,以及传统解决方法的局限性,设计了一种可以利用字典原子间相关性的相关匹配追踪算法。在该算法的基础上,受联合稀疏模型(Joint Sparse Model,JSM)的启发,提出了压缩感知框架下的多频段DFL融合定位算法。最后总结了本论文的研究工作,并对现有工作中的不足进行了归纳,也对不足之处提出了改进意见,以便在今后的研究中进行完善。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：

链路,目标,接收信号,节点

基于ＷＳＮ的ＤＦＬ技术是一种利用监测目标对无线通信链路接收信号产生的逡逑影响（如接收信号强度（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ邋Ｓｉｇｎａｌ邋Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，邋ＲＳＳ）变化）对目标位置进行估计逡逑的技术。如图１．１所示，基于ＷＳＮ的ＤＦＬ技术一般是通过在监测区域周围设置逡逑若干无线射频信号收发节点来实现。无线节点间能够相互通信，在空间内形成许逡逑多无线链路，当一个目标进入该区域，便会引起一部分链路的变化，相应的这一逡逑部分链路的ＲＳＳ值也会发生变化。因此可以通过无线收发节点所收集到的ＲＳＳ逡逑１逡逑

无线传感器,频段,实物,节点

该ＺｉｇＢｅｅ模块集成了邋ＣＣ２５３０芯片和与其匹配的功率放大器ＣＣ２５９１。硬件逡逑部分除了邋ＺｉｇＢｅｅ模块，还集成了串口通信、下载程序等功能电路；软件部分使逡逑用ＴＩ公司设计的Ｚ－ｓｔａｃｋ协议栈进行开发。其无线节点实物图，如图２．１所示。逡逑图２．１邋２．４ＧＨｚ频段无线传感器节点实物图逡逑２．３逦４３３ＭＨｚ与９１５ＭＨｚ频段无线传感器网络设计逡逑２．３．１邋Ｓｉ４４６３模块简介逡逑Ｓｉ４４６３模块是以Ｓｉｌｉｃｏｎ邋Ｌａｂｓ研发的Ｓｉ４４６３芯片为核心构成的无线电射频模逡逑块。它是一款高性能低功耗的射频收发器，其输出功率最大可达２0ｄＢｍ，在空逡逑旷环境下，通信距离最远可达１５００ｍ，数据传输速率可在０．１２３Ｋｂｐｓ至１Ｍｂｐｓ逡逑间调节，接收灵敏度也达到了优异的－１２６ｄＢｍ【４３】。由于该芯片性能强劲稳定，己逡逑被广泛用于无线电表［４４］、智能家居１４５］、测控系统［４６］等领域。逡逑７逡逑

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