物聯網定位分析探討

鄒潔 鄭正松

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

關鍵詞：物聯網;定位;算法;RFID

1.概述

物聯網（Internet of Things，IoT）對許多企業和個人產生了重大的影響，一直廣泛應用于各種行業中，包括消費行業、零售行業、醫療行業、政府制造行業以及運輸行業。物聯網的一些應用案例還包括智能電器、自動化的公共交通、遠程健康監測、數字標牌、車聯網以及空中交通監控等。物聯網是指機器與機器（MachineToMachine，M2M）之間安全地進行交互的技術。通常假設有一個三層結構的物聯網系統。這些層結構分為傳感層、數據通信層以及應用程序層。最常見的物聯網設備均配備定位技術，比如GPS等。然而，這些系統受到物理約束，如不能在室內以及高干擾場景中操作，或實現這些系統的成本過高等，從而限制了物聯網設備定位技術的利用率。

射頻識別已經成為物聯網的基本架構之一。由于實施成本較低，射頻識別已經得到廣泛使用。本文提出一種采用被動RFID（RadioFrequencyIdentification）標簽的解決方案，允許物聯網設備獲得它們在同一個網絡中的精確位置。在提出的算法中，將主動閱讀器和被動標簽應用于射頻識別系統中。主動閱讀器傳遞一個詢問信號，接收到該信號的標簽開啟以身份驗證信息來應答。該算法不依賴于不可靠的讀寫器功率掃描以及基于抵達方向的復雜方法，而是運用RFID標簽對不同閱讀器的反應來確定物聯網設備的位置。該射頻識別系統配置的主要優點是標簽的成本低。標簽可以被附加到很多設備上，并不需要電源。缺點是范圍有限，標準的范圍高達50m。本文為物聯網提出一種計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生的誤差設定分析性的界限。

2.定位系統模型

假設在一個正方形區域內，分布著N個配備被動射頻識別標簽的物聯網設備。使用M個射頻識別閱讀器來詢問標簽。假設服務器知道標簽的數量。如果不是這樣，那么服務器常常可以通過閱讀器接收到的認證信號來填充標簽的列表。

在每一個時隙中，閱讀器都會發出一個詢問信號（在超高頻波段內）。在閱讀器的范圍d內，被動的標簽可以將詢問信號反向散射給閱讀器，然后閱讀器可以探測到該詢問信號。每個閱讀器覆蓋的面積都要比A小得多，也就是說 ≤A，。每個閱讀器在接收到標簽反向散射的驗證信號后，都會將收到的驗證信號發送到中心服務器。假設在閱讀器和中心節點之間存在一個可靠的信道。不失一般性，假設服務器位于原點，而且標簽的定位要考慮到中心服務器。閱讀器j的位置表示為（ ， ），射頻識別標簽i的位置表示為（ ， ）。

從每個閱讀器收到標簽列表之后，中心服務器都會為每個閱讀器創建一個相鄰向量，即對于閱讀器j=1，2，…，M，相鄰向量為aj。相鄰向量是一個N維二進制的向量，可以確定能被閱讀器探測到的標簽。具體來說， =[ ， ，…， ]，N，如果閱讀器j可以檢測到標簽i，那么 =1，否則 =0。

用一個模糊函數 來表示提出算法的性能，這是為每一個標簽i作出的定義。如果服務器能夠精準定位一個標簽，那么該標簽的定位模糊度將是零。另一方面，如果沒有一個閱讀器可以驗證標簽i，那么它可以在區域A內的任何地方，該區域內沒有閱讀器的覆蓋。這就導致模糊度的產生（即 ≤1）。

3.射頻定位算法

本節在不同的場景中介紹提出的射頻定位算法。射頻識別定位閱讀器的位置在服務器中是已知的。射頻識別閱讀器和標簽的位置都是未知的。定位的結果會有轉化和旋轉模糊度，因此還需要一些錨點來準確地確定設備的位置。

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，還帶來旋轉和轉化模糊度的問題。為了避免這些模糊度的產生，必須具備集合節點。在理論上有三個集合節點就可以滿足每個位置上每個閱讀器的需求。集合節點是服務器上有固定的已知位置的標簽例如一些固定的目標環境可以被添加標簽，比如在室內場景中建筑物的柱子或在室外配置的消火栓，因此當閱讀器在這些標簽附近時，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地分布閱讀器可能仍有一個相當大的定位模糊度，這將轉入標簽的定位問題中。

4.定位方法展望

本節進行仿真實驗以便評估提出射頻定位算法的性能。模擬的面積為100m×100m。在此區域內隨機均勻分布了N=200個RFID標簽，和M=100個相同的RFID閱讀器，可靠的范圍為d=10m。此外，在每個時隙內所有閱讀器都會在其范圍內詢問所有的標簽。在超過100個時隙后得到了仿真結果。

在閱讀器位置已知和未知的場景中，隨著閱讀器的范圍以及標簽數量的增大，所有標簽的定位模糊度平均值ē的結果。在閱讀器位置未知的情況下，假設有10%的節點為錨節點。可以看到，當閱讀器的范圍很小時，會面臨一個較大的定位模糊度，這是因為接收到的標簽數量少，可以得到每個閱讀器的驗證。

5.結論

本文提出一種基于RFID技術的定位算法，可以應用于物聯網設備定位。該算法不依賴不可靠的讀寫器功率掃描以及基于抵達方向的復雜方法，而是運用RFID標簽對不同閱讀器的反應來確定物聯網設備的位置。數值實驗的結果表明，運用本文提出的射頻定位算法可以實現高度精確的物聯網設備定位。

參考文獻

[1]? 吳細剛.《NB-IoT從原理到實踐》[M].北京：電子工業出版社。

作者簡介：鄒潔，1983年11月出生，男，漢，廣西北流市，學士，中國聯合網絡通信有限公司玉林市分公司，高級工程師，副經理，主要研究無線網絡優化。

鄭正松，1982年7月出生，男，漢，廣西桂平市，學士，中國聯合網絡通信有限公司玉林市分公司，中級工程師，主任，主要研究產業互聯網。