分析射頻通信網絡及其定位技術

周平

摘要：現今科技發展階段，射頻通信網絡技術運用甚廣，定位乃射頻通信的重要應用部分，定位技術在生產及生活中有著很大的功效。因此，本文討論了射頻通信網絡技術及定位技術，以此為廣大研究同樣問題的人士提供參考。

關鍵詞：射頻通信網絡;定位技術;可靠性

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0208-03

全球定位系統實際上是一種極其先進的定位技術方法，這種定位方法在實踐過程中能夠以果殼衛星對目標物體間的距離展開測量，在實踐過程中通常是用于進行車輛及路線定位等方面的?？墒?，在現實中，衛星信號會被建筑物，還有一部分金屬遮蓋物掩藏起來，以致無法精準定位，據此，在實踐過程中全球定位系統這一定位技術，在外部的廣域定位里面，極少數衛星信號覆蓋不了的地方，對于距離非常短且精度要求高的定位統統是以射頻通信定位的。射頻通信網絡定位方式在實際使用的時候是否可以開展精確地定位跟蹤，通常表現在其射頻通信網絡的有效性和精度性能。還有易于實現的定位算法，因而，此次研究就對其進行簡單的分析和論述。

1 射頻通信網絡技術概述

射頻的英文全稱為Radio Frequency，而簡稱就是RF，這種一直工作在300KHz至30GHz范疇以內的高頻交流變化電磁波。射頻通信第一步是通過把信息以高頻電流調制改變成射頻信號，與此同時借助天線將已經全部調制好了的射頻信號發出去，假使天線接收了信號以后，那么這個時候需要做的事情就是依據反調制收集到原始信息。射頻通信通常在無線通信行業的使用頻率較多，與此同時具有其他技術不能夠取代的作用。一般而言，射頻通信使用的頻譜編碼技術，該種技術可以減小窄帶信號頻譜密度，加強數據傳輸的安全性與可靠性，并且還可以提升通信的抗干擾程度[1]。

而射頻通信網絡拓撲結構簡單來說，實際上是射頻通信要能夠收集與傳遞，優質的拓撲結構可提升網絡綜合性能，與此同時增加網絡使用的時間，避免節點通信被其他因素所干擾。拓撲結構簡言之實際上是網絡里面的節點，還有網絡鏈路彼此的連接，繼而形成幾何結構。無線傳感器網絡拓撲就是混合網以及星狀網等。其中，星狀網拓撲結構為單跳型結構。全部的節點能夠和基站開展雙向通信，再者，節點彼此之間是不會有連接性的。借助這樣的結構進行布網，需要相關工作人員思考到節點本身帶有的能量及其通信距離。并且，還應該有效保障一切節點的數據信息統統可以全部接收到，如此全部的節點均需要以大功率來傳送，這樣可以確保通信距離。假設使用于節點電池無法替換的場合，該種拓撲結構必然會縮短網絡使用年限。除此以外，在布設節點時還應當注意的一個問題是：假設節點布設和密集，相鄰節點會監測到類似的的信息，進而出現重復的信息，如此做必然會使網絡負載無限變大，且會縮減網絡使用時間?？墒?，該種網絡無需節點開展路由創建等工作，這樣可以減小組網的難度，易于實現。假設可以確保節點通信距離，標準化設置，這樣做是可以在定位系統里面采用的。

混合網結構具備了諸多優點，比如控制起來很容易、可進行自動修復、簡潔?；旌暇W可以降低網絡建立與維護等各項工作的困難程度，提升工作效率。其中，分層網絡拓撲結構就是非常具有代表性的一種混合網，尤其適合使用在節點多的網絡。在這一拓撲結構中，整個網絡會構成分層結構，全部節點經過一定的方式構成彼此之間獨立的簇，各個簇按照規則挑選出一個節點作為簇首，而簇首可以控制簇中一切節點。分層拓撲結構能夠將網絡構建的復雜程度減小，降低網絡在數據處理以及路由方面的支出，減少網絡耗損率，將網絡使用周期無延長。

2 確保射頻通信網絡及其定位技術可靠性的主要問題

2.1 防碰撞

射頻通信網絡之中，假設其接受節點需要一并對幾個節點傳輸的數據進行接收，則這部分數據間就會出現碰撞和沖突性問題，會致使節點接收不了準確的數據，即便接收到了數據，也是無效的。假使要確保射頻通信和定位技術的安全性和穩定性，就一定要將這些不良問題徹底消除。在無線通信技術中，如若要合理解決沖突通信問題可采用FDMA、TDMA、SDMA等一同進行，在這里面，實踐過程中運用的最多的實際上是TDMA，在實踐過程中其包含了ALOHA與二進制搜索碰撞算法。在實踐的時候，基于硬件節點等因素通常運用最多的是ALOHA算法，這種算法有兩種方式：純ALOHA方法和及時隙ALOHA方法[2]。

2.2 控制節點能量

因為節點體積不大，只可以攜帶部分能量的電池。所以，控制網絡里面的節點能量，不僅可以確保網絡通暢，而且還能夠延長網絡使用年限。節點傳送信息所需的能量大于執行計算機時的耗損量，其在無線通信模塊中耗損的能量占據了其整體耗能的三分之二。節點傳送時的能力耗損多余節點在其他狀態時候的損耗。據此，此次設計的射頻通信網絡對控制能量制定出了幾點舉措：

（1）相關工作人員應當縮減無效數據傳遞的幾率。一部分信息在節點處理開展的時候，節點僅需將關鍵信息處理好就可以了。（2）把網絡狀態設定成正常工作的狀態，當然也可以將其設定在睡眠狀態之中，這樣一來就可以大大減少能源消耗量。盡可能降低不必要數據的傳輸概率。一些信息處理在節點中進行，節點僅僅需要傳送處理完的重要信息即可。（3）網絡里面的節點能量統統能夠查找到。射頻通信網絡在固定時間中開展的節點涵蓋了電量在內狀態查找。

2.3 保證信息安全

數據信息安全對特定領域，比如部分對數據信息安全有一定要求的機構起著十分重要的作用，據此，設計人員在正式設計射頻通信網絡以及定位技術的時候，需要思考信息安全方面的問題。與此同時，還應當增加對數據信息安全的關注力度，因而需從以下方面來保證信息安全：

（1）校驗數據。射頻通信網絡里面，不管是哪一種節點在接收信息時，均需先確認信息，確保信息零失誤。據此，在現實工作中，需要對視頻通信網信息數據進行CRC校驗，在確保校驗合格以后，方可進行后續處理操作。（2）確定信息時序。數據的特征之一就是實時性，在通信網絡里面，有差別的節點在進行數據信息接收的時候，應當對這一數據信息進行準確的判斷，這樣一來能夠有效確保其合理性。導致信息時序不正的原因在于網絡信息傳送時多路徑造成時間滯后，據此在實踐過程中，射頻通信網絡就是經過兩種方式對其優化的，從而確保多種信息數據新鮮。第一，基于網絡本身應用簡單的拓撲結構，在數據發送路由方面預防路徑多產生網絡延遲性問題;第二，在節點信息傳遞時對信息編號，在接收信息時，按照節點編號順序判斷區域準確的順序。（3）尋址通信和同步字。在通信網絡中，在一個節點要向另外一個節點傳遞信息時，那么該信息會被目標節點所接收。同樣的道理，在一個接待接收相同信息時，需要先確認信息，了解其是不是自身所處網絡節點傳遞的信息，觀察其是不是別的有關節點冒充的。據此，在對其開展射頻通信網絡以及定位技術設計時，需要經過各節點以尋址通信的形式進行。

3 射頻通信網絡以及定位技術節點定位方式

距離定位方式是按照其得到節點絕對距離了解未知節點的實際位置，在實際中的工作方法為TOA與TDOA、AOA與RSSI模式。在這之中，TOA是經過已經給出來的信號在空氣中的傳播速度，通過信號傳輸測驗及其到達接收節點的時間差，其得到信號在傳播時運用的時間差，再經過該時間差得到節點間的絕對距離。在經過3次定位等有關計算法對節點的實際坐標展開計算。TDOA是經過到達時間差有關定位手段，對已知信號開展信息傳播，在這之中一個節點在實踐過程中同時傳遞的幾種不同傳播速度的無線信號，在對其接受時，對這幾種信號的時間差值進行獲取，在借助速度和時間差對不相同節點的絕對距離計算，經過三邊定位法了解具體位置坐標[3]。在接收節點獲取信息時，會受到信號強度，即RSSI值所影響，基于其檢測和仿真建立的數據模型，將RSSI和實際距離展開系統對應，從而了解其距離值，經過三邊定位法取得節點位置坐標。在實踐過程中，TOA與TDOA、AOA模式具備一定的精度，可是在實踐的時候，其對于硬件提出了高要求，需要經過專門的硬件傳感器來支持它，其耗能與成本在很大程度上制約了其使用范圍。RSSI定位方法對硬件要求低，無需其他硬件設備，通常的射頻模塊在實踐過程中均個夠直接獲得RSSI值，由此可知，其是功率低，且成本低的定位模式。可是由于其本身有一定的隨機性，在當前發展過程中運用模型均為經驗模型，易于遭到外部環境因素所影響，在實踐過程中不能經過RSSI值得到很精確的距離。據此，在實踐的時候，需要和別的方式結合，才能夠將其進度提高。

基于距離無關的定位算法在實踐過程中，可按照節點之間的有關估計距離與網絡連通性，對未知節點坐標開展正確的計算，在實踐過程中不需要檢測節點間的絕對距離和具體位置，在實踐過程中的計算模式包含了質心算法與APIT算法等。其在實踐的時候，具有計算量小，網絡生存能力強，應用成本低，硬件要求低等特點，能夠在實踐過程中大范圍使用。據此，在實踐過程中可根據RSSI與質心定位算法，經過基于RSSI值的區域分劃的質心定位算法對其開展準確的計算，這樣的方式在實踐過程中具備定位精準度高、計算簡捷、操作便利等優勢，可進行廣泛運用。

4 射頻通信網絡定位算法的設計

4.1 定位技術基礎

以下就對質心定位和基于RSSI測距的定位技術進行介紹，此乃改善定位算法的基礎。

首先，質心定位。質心實際上就是多邊形的幾何中心，多邊形頂點坐標平均值簡言之就是質心節點坐標。多邊形ABCDE頂點坐標是：A（X1，Y1），B（X2，2），C（X3，Y3），D（X4，Y4），質心坐標是：（X，Y）=（（X1+X2+X3+X4）/（Y1+Y2+Y3+Y4）/4），見圖1所示。

過去的質心算法里面，移動節點是依照錨節點位置信息標注位置的，全部基于網絡連通性，實現起來很容易。僅需要移動節點處在錨節點通信范疇以內，該位置坐標依據以下式子計算即可。（，）=（，），在這之中，（，）代表的是移動節點坐標，（，）表示錨節點坐標，n是錨節點個數。質心定位算法的優勢在于計算量不大、網絡生存性強、通信費用低、硬件要求不高。不足之處在于，進度會受到錨節點布設影響，在運用過程中，錨節點布設密度較小，所以，以往的質心定位算法有一定的誤差，同時這種算法對錨節點資源利用率不大。

其次，RSSI測距定位。這一技術的基礎實際上就是進行RSSI值測距。依照無線傳播的基礎規律，無線電信號在實際傳遞的時候出現了消耗的情況，這一消耗和傳播路徑是毫無關聯的。RSSI值代表著的是電磁波通信大小的值，這一數值伴隨距離增大而變小。在無線傳播基礎理論里面，闡述到的能量耗損的構建模式實際上就是路徑耗損模型。這種模型可以劃分成自由空間傳播與對距離路徑耗損模型等。

基于RSSI測距定位，雖理論中能夠獲得一個精準的位置坐標值，可事實上因為四周環境的干擾作用，常常具備很大的波動性，因此，其獲取到的定位精度較低。

4.2 基于RSSI值的區域分劃質心定位法

思考到硬件費用和計算的復雜性等方面，現如今工程應用中比較常用的就會質心定位算法與RSSI測距定位算法。雖這些算法具備一定的優勢，可是其也有一些缺陷。質心定位算法對于錨節點的資源利用率較低，錨節點布設密集，定位精度更高，假設錨節點布設密度低，則定位精度也很低?；赗SSI測距的定位算法，不足之處在于RSSI值缺乏穩定性，在檢測時會被四周環境所影響，進而造成經過RSSI值測距的不精確性，直接影響到定位的準確性。基于此，相關研究者對其進行了改善，這些改善的算法雖提升了定位的精度，可是計算的復雜性較高。所以，此次提出了改善算法，使用RSSI值測距雖易于遭到干擾，可是能夠反映RSSI值本身和距離的關系，RSSI值大，那么對應距離就短。按照這一對應關系，此次提出的算法通過RSSI值對距離開展判斷，同時把判斷得出來的最終結論引入質心算法里面，改善質心算法提升定位精度。對RSSI值誤差的解決，使用閾值限制法。該種改善定位算法精度和以往的算法比起來有極大的提升，同時計算量不大、通信費用低、網絡比較穩定，能夠在實際中運用。以下就對該算法進行了具體介紹。

（1）RSSI值模糊距離估計。任意一點到A點與B點間的距離設定成da，db，則da和db間關系有幾種情況：da>db，da<db，da=db，見圖2所示。易于發現第一象限與第四象限點和AB距離關系是da>db;第二、三象限的點和AB距離關系就是da<db;在中垂線L的點和AB間的距離關系為da=db。移動節點與錨節點所處地區同樣可如此分劃。RSSI值和距離間有一定的對應關系，可經過對比RSSI值大小明確距離關系。可是RSSI值易于被環境影響，有很大的波動性，可能產生相等距離。針對該種RSSI值檢測誤差，改善算法使用的對策是RSSI設置成可以允許誤差范圍Th，在某種情況下，倘若兩個RSSI值差值這一閾值范圍內，可認為其相等，同時對應距離也相等。

（2）定位算法模型的合理改造。移動節點在某種功率下朝多個已經存在的信息錨節點傳遞廣播信息，當四周的錨節點接收信息以后，才能進行RSSI值檢測。再者，在一定功率下，傳遞RSSI信息的定位數據幀到移動節點，接收到數據信息以后，必須要按照RSSI強度大小進行順序排列，挑選幾個RSSI值可以構成三角形錨節點定位。錨節點構成的三角形區域就是銳角、直角與鈍角三角形。此次以三角形中的某一種狀況加以闡述。銳角三角形中，作ab、bc、ac的中垂線，將其垂足劃分為g1/g2/g3，交三角形別的邊，比如f、d、e，這幾條中垂線相交于g點。三角形abc分成6部分，各個部分都可以由abc坐標求得。

本次提出來的改善定位算法就是通過公式推斷得出來的移動節點和錨節點距離關系，進而以此確定移動節點所處的具體區域。假使移動節點區域是多邊形，那么移動節點坐標是所處區域質心。如若移動節點區域是線段，移動節點坐標出線段中點。

5 結語

在社會經濟發展過程中，射頻通信網絡也得到了快速發展，在實踐過程中涌現出了多種模式的射頻通信網絡。這部分射頻通信網絡在實踐的時候各有優勢，在不相同的行業中所發揮的作用也是不同的。在這之中，定位行業中運用射頻通信網絡與定位技術的發展是整合射頻通信網絡與定位技術，從而達到定位費用減少的目的，提高執行的容易程度，加強整體進度，促使其可持續發展。

參考文獻

[1]張海朝，李曉波.一種基于GSM及無線射頻通信的共享雨傘系統[J].信息通信，2018，（9）：55-56.

[2]王行娟，楊奎.基于射頻通信的GPS定位系統設計[J].無線互聯科技，2017，（23）：63-64.

[3]吳倩，鐘玲玲.基于超聲測距和射頻通信的液位監測系統的設計[J].電腦知識與技術，2017，（30）：217-219.

Analysis of Radio Frequency Communication Network and Its Location Technology

ZHOU Ping

（Yangzhou Wanfang Electronic Technology Co.， Ltd. ， Yangzhou Jiangsu? 225006）

Abstract：Nowadays in the development stage of science and technology， radio frequency communication network technology is widely used， location is an important application part of radio frequency communication， location technology has a great effect in production and life. Therefore， this paper discusses the radio frequency communication network technology and positioning technology， in order to provide a reference for people who study the same problem.

Key words：radio frequency communication network; positioning technology; reliability