物聯(lián)網(wǎng)定位分析探討

鄒潔 鄭正松

摘? 要：本文首先簡單概述了物聯(lián)物與其，然后提出一種計(jì)算效率高和可伸縮的定位算法。和定位算法所產(chǎn)生的誤差設(shè)定分析性的界限。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);定位;算法;RFID

1.概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）對(duì)許多企業(yè)和個(gè)人產(chǎn)生了重大的影響，一直廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)中，包括消費(fèi)行業(yè)、零售行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、政府制造行業(yè)以及運(yùn)輸行業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)的一些應(yīng)用案例還包括智能電器、自動(dòng)化的公共交通、遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)、數(shù)字標(biāo)牌、車聯(lián)網(wǎng)以及空中交通監(jiān)控等。物聯(lián)網(wǎng)是指機(jī)器與機(jī)器（MachineToMachine，M2M）之間安全地進(jìn)行交互的技術(shù)。通常假設(shè)有一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這些層結(jié)構(gòu)分為傳感層、數(shù)據(jù)通信層以及應(yīng)用程序?qū)?。最常見的物?lián)網(wǎng)設(shè)備均配備定位技術(shù)，比如GPS等。然而，這些系統(tǒng)受到物理約束，如不能在室內(nèi)以及高干擾場(chǎng)景中操作，或?qū)崿F(xiàn)這些系統(tǒng)的成本過高等，從而限制了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備定位技術(shù)的利用率。

射頻識(shí)別已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)之一。由于實(shí)施成本較低，射頻識(shí)別已經(jīng)得到廣泛使用。本文提出一種采用被動(dòng)RFID（RadioFrequencyIdentification）標(biāo)簽的解決方案，允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲得它們?cè)谕粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)中的精確位置。在提出的算法中，將主動(dòng)閱讀器和被動(dòng)標(biāo)簽應(yīng)用于射頻識(shí)別系統(tǒng)中。主動(dòng)閱讀器傳遞一個(gè)詢問信號(hào)，接收到該信號(hào)的標(biāo)簽開啟以身份驗(yàn)證信息來應(yīng)答。該算法不依賴于不可靠的讀寫器功率掃描以及基于抵達(dá)方向的復(fù)雜方法，而是運(yùn)用RFID標(biāo)簽對(duì)不同閱讀器的反應(yīng)來確定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的位置。該射頻識(shí)別系統(tǒng)配置的主要優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽的成本低。標(biāo)簽可以被附加到很多設(shè)備上，并不需要電源。缺點(diǎn)是范圍有限，標(biāo)準(zhǔn)的范圍高達(dá)50m。本文為物聯(lián)網(wǎng)提出一種計(jì)算效率高和可伸縮的定位算法。此外，還為提出的定位算法所產(chǎn)生的誤差設(shè)定分析性的界限。

2.定位系統(tǒng)模型

假設(shè)在一個(gè)正方形區(qū)域內(nèi)，分布著N個(gè)配備被動(dòng)射頻識(shí)別標(biāo)簽的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。使用M個(gè)射頻識(shí)別閱讀器來詢問標(biāo)簽。假設(shè)服務(wù)器知道標(biāo)簽的數(shù)量。如果不是這樣，那么服務(wù)器常?？梢酝ㄟ^閱讀器接收到的認(rèn)證信號(hào)來填充標(biāo)簽的列表。

在每一個(gè)時(shí)隙中，閱讀器都會(huì)發(fā)出一個(gè)詢問信號(hào)（在超高頻波段內(nèi)）。在閱讀器的范圍d內(nèi)，被動(dòng)的標(biāo)簽可以將詢問信號(hào)反向散射給閱讀器，然后閱讀器可以探測(cè)到該詢問信號(hào)。每個(gè)閱讀器覆蓋的面積都要比A小得多，也就是說 ≤A，。每個(gè)閱讀器在接收到標(biāo)簽反向散射的驗(yàn)證信號(hào)后，都會(huì)將收到的驗(yàn)證信號(hào)發(fā)送到中心服務(wù)器。假設(shè)在閱讀器和中心節(jié)點(diǎn)之間存在一個(gè)可靠的信道。不失一般性，假設(shè)服務(wù)器位于原點(diǎn)，而且標(biāo)簽的定位要考慮到中心服務(wù)器。閱讀器j的位置表示為（ ， ），射頻識(shí)別標(biāo)簽i的位置表示為（ ， ）。

從每個(gè)閱讀器收到標(biāo)簽列表之后，中心服務(wù)器都會(huì)為每個(gè)閱讀器創(chuàng)建一個(gè)相鄰向量，即對(duì)于閱讀器j=1，2，…，M，相鄰向量為aj。相鄰向量是一個(gè)N維二進(jìn)制的向量，可以確定能被閱讀器探測(cè)到的標(biāo)簽。具體來說， =[ ， ，…， ]，N，如果閱讀器j可以檢測(cè)到標(biāo)簽i，那么 =1，否則 =0。

用一個(gè)模糊函數(shù) 來表示提出算法的性能，這是為每一個(gè)標(biāo)簽i作出的定義。如果服務(wù)器能夠精準(zhǔn)定位一個(gè)標(biāo)簽，那么該標(biāo)簽的定位模糊度將是零。另一方面，如果沒有一個(gè)閱讀器可以驗(yàn)證標(biāo)簽i，那么它可以在區(qū)域A內(nèi)的任何地方，該區(qū)域內(nèi)沒有閱讀器的覆蓋。這就導(dǎo)致模糊度的產(chǎn)生（即 ≤1）。

3.射頻定位算法

本節(jié)在不同的場(chǎng)景中介紹提出的射頻定位算法。射頻識(shí)別定位閱讀器的位置在服務(wù)器中是已知的。射頻識(shí)別閱讀器和標(biāo)簽的位置都是未知的。定位的結(jié)果會(huì)有轉(zhuǎn)化和旋轉(zhuǎn)模糊度，因此還需要一些錨點(diǎn)來準(zhǔn)確地確定設(shè)備的位置。

如果閱讀器的位置是未知的，在這種情況下，不僅存在著定位模糊的問題，還帶來旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)化模糊度的問題。為了避免這些模糊度的產(chǎn)生，必須具備集合節(jié)點(diǎn)。在理論上有三個(gè)集合節(jié)點(diǎn)就可以滿足每個(gè)位置上每個(gè)閱讀器的需求。集合節(jié)點(diǎn)是服務(wù)器上有固定的已知位置的標(biāo)簽例如一些固定的目標(biāo)環(huán)境可以被添加標(biāo)簽，比如在室內(nèi)場(chǎng)景中建筑物的柱子或在室外配置的消火栓，因此當(dāng)閱讀器在這些標(biāo)簽附近時(shí)，就可以確定它們的位置，顯然由于物理約束的問題，集合可能不是均勻隨機(jī)地分布閱讀器可能仍有一個(gè)相當(dāng)大的定位模糊度，這將轉(zhuǎn)入標(biāo)簽的定位問題中。

4.定位方法展望

本節(jié)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)以便評(píng)估提出射頻定位算法的性能。模擬的面積為100m×100m。在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻分布了N=200個(gè)RFID標(biāo)簽，和M=100個(gè)相同的RFID閱讀器，可靠的范圍為d=10m。此外，在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有閱讀器都會(huì)在其范圍內(nèi)詢問所有的標(biāo)簽。在超過100個(gè)時(shí)隙后得到了仿真結(jié)果。

在閱讀器位置已知和未知的場(chǎng)景中，隨著閱讀器的范圍以及標(biāo)簽數(shù)量的增大，所有標(biāo)簽的定位模糊度平均值ē的結(jié)果。在閱讀器位置未知的情況下，假設(shè)有10%的節(jié)點(diǎn)為錨節(jié)點(diǎn)?？梢钥吹?，當(dāng)閱讀器的范圍很小時(shí)，會(huì)面臨一個(gè)較大的定位模糊度，這是因?yàn)榻邮盏降臉?biāo)簽數(shù)量少，可以得到每個(gè)閱讀器的驗(yàn)證。

5.結(jié)論

本文提出一種基于RFID技術(shù)的定位算法，可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備定位。該算法不依賴不可靠的讀寫器功率掃描以及基于抵達(dá)方向的復(fù)雜方法，而是運(yùn)用RFID標(biāo)簽對(duì)不同閱讀器的反應(yīng)來確定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的位置。數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，運(yùn)用本文提出的射頻定位算法可以實(shí)現(xiàn)高度精確的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備定位。

參考文獻(xiàn)

[1]? 吳細(xì)剛.《NB-IoT從原理到實(shí)踐》[M].北京：電子工業(yè)出版社。

作者簡介：鄒潔，1983年11月出生，男，漢，廣西北流市，學(xué)士，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司玉林市分公司，高級(jí)工程師，副經(jīng)理，主要研究無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

鄭正松，1982年7月出生，男，漢，廣西桂平市，學(xué)士，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司玉林市分公司，中級(jí)工程師，主任，主要研究產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。