分析射频通信网络及其定位技术

周平

摘要：现今科技发展阶段，射频通信网络技术运用甚广，定位乃射频通信的重要应用部分，定位技术在生产及生活中有着很大的功效。因此，本文讨论了射频通信网络技术及定位技术，以此为广大研究同样问题的人士提供参考。

关键词：射频通信网络;定位技术;可靠性

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）11-0208-03

全球定位系统实际上是一种极其先进的定位技术方法，这种定位方法在实践过程中能够以果壳卫星对目标物体间的距离展开测量，在实践过程中通常是用于进行车辆及路线定位等方面的。可是，在现实中，卫星信号会被建筑物，还有一部分金属遮盖物掩藏起来，以致无法精准定位，据此，在实践过程中全球定位系统这一定位技术，在外部的广域定位里面，极少数卫星信号覆盖不了的地方，对于距离非常短且精度要求高的定位统统是以射频通信定位的。射频通信网络定位方式在实际使用的时候是否可以开展精确地定位跟踪，通常表现在其射频通信网络的有效性和精度性能。还有易于实现的定位算法，因而，此次研究就对其进行简单的分析和论述。

1 射频通信网络技术概述

射频的英文全称为Radio Frequency，而简称就是RF，这种一直工作在300KHz至30GHz范畴以内的高频交流变化电磁波。射频通信第一步是通过把信息以高频电流调制改变成射频信号，与此同时借助天线将已经全部调制好了的射频信号发出去，假使天线接收了信号以后，那么这个时候需要做的事情就是依据反调制收集到原始信息。射频通信通常在无线通信行业的使用频率较多，与此同时具有其他技术不能够取代的作用。一般而言，射频通信使用的频谱编码技术，该种技术可以减小窄带信号频谱密度，加强数据传输的安全性与可靠性，并且还可以提升通信的抗干扰程度[1]。

而射频通信网络拓扑结构简单来说，实际上是射頻通信要能够收集与传递，优质的拓扑结构可提升网络综合性能，与此同时增加网络使用的时间，避免节点通信被其他因素所干扰。拓扑结构简言之实际上是网络里面的节点，还有网络链路彼此的连接，继而形成几何结构。无线传感器网络拓扑就是混合网以及星状网等。其中，星状网拓扑结构为单跳型结构。全部的节点能够和基站开展双向通信，再者，节点彼此之间是不会有连接性的。借助这样的结构进行布网，需要相关工作人员思考到节点本身带有的能量及其通信距离。并且，还应该有效保障一切节点的数据信息统统可以全部接收到，如此全部的节点均需要以大功率来传送，这样可以确保通信距离。假设使用于节点电池无法替换的场合，该种拓扑结构必然会缩短网络使用年限。除此以外，在布设节点时还应当注意的一个问题是：假设节点布设和密集，相邻节点会监测到类似的的信息，进而出现重复的信息，如此做必然会使网络负载无限变大，且会缩减网络使用时间。可是，该种网络无需节点开展路由创建等工作，这样可以减小组网的难度，易于实现。假设可以确保节点通信距离，标准化设置，这样做是可以在定位系统里面采用的。

混合网结构具备了诸多优点，比如控制起来很容易、可进行自动修复、简洁。混合网可以降低网络建立与维护等各项工作的困难程度，提升工作效率。其中，分层网络拓扑结构就是非常具有代表性的一种混合网，尤其适合使用在节点多的网络。在这一拓扑结构中，整个网络会构成分层结构，全部节点经过一定的方式构成彼此之间独立的簇，各个簇按照规则挑选出一个节点作为簇首，而簇首可以控制簇中一切节点。分层拓扑结构能够将网络构建的复杂程度减小，降低网络在数据处理以及路由方面的支出，减少网络耗损率，将网络使用周期无延长。

2 确保射频通信网络及其定位技术可靠性的主要问题

2.1 防碰撞

射频通信网络之中，假设其接受节点需要一并对几个节点传输的数据进行接收，则这部分数据间就会出现碰撞和冲突性问题，会致使节点接收不了准确的数据，即便接收到了数据，也是无效的。假使要确保射频通信和定位技术的安全性和稳定性，就一定要将这些不良问题彻底消除。在无线通信技术中，如若要合理解决冲突通信问题可采用FDMA、TDMA、SDMA等一同进行，在这里面，实践过程中运用的最多的实际上是TDMA，在实践过程中其包含了ALOHA与二进制搜索碰撞算法。在实践的时候，基于硬件节点等因素通常运用最多的是ALOHA算法，这种算法有两种方式：纯ALOHA方法和及时隙ALOHA方法[2]。

2.2 控制节点能量

因为节点体积不大，只可以携带部分能量的电池。所以，控制网络里面的节点能量，不仅可以确保网络通畅，而且还能够延长网络使用年限。节点传送信息所需的能量大于执行计算机时的耗损量，其在无线通信模块中耗损的能量占据了其整体耗能的三分之二。节点传送时的能力耗损多余节点在其他状态时候的损耗。据此，此次设计的射频通信网络对控制能量制定出了几点举措：

（1）相关工作人员应当缩减无效数据传递的几率。一部分信息在节点处理开展的时候，节点仅需将关键信息处理好就可以了。（2）把网络状态设定成正常工作的状态，当然也可以将其设定在睡眠状态之中，这样一来就可以大大减少能源消耗量。尽可能降低不必要数据的传输概率。一些信息处理在节点中进行，节点仅仅需要传送处理完的重要信息即可。（3）网络里面的节点能量统统能够查找到。射频通信网络在固定时间中开展的节点涵盖了电量在内状态查找。

2.3 保证信息安全

数据信息安全对特定领域，比如部分对数据信息安全有一定要求的机构起着十分重要的作用，据此，设计人员在正式设计射频通信网络以及定位技术的时候，需要思考信息安全方面的问题。与此同时，还应当增加对数据信息安全的关注力度，因而需从以下方面来保证信息安全：

（1）校验数据。射频通信网络里面，不管是哪一种节点在接收信息时，均需先确认信息，确保信息零失误。据此，在现实工作中，需要对视频通信网信息数据进行CRC校验，在确保校验合格以后，方可进行后续处理操作。（2）确定信息时序。数据的特征之一就是实时性，在通信网络里面，有差别的节点在进行数据信息接收的时候，应当对这一数据信息进行准确的判断，这样一来能够有效确保其合理性。导致信息时序不正的原因在于网络信息传送时多路径造成时间滞后，据此在实践过程中，射频通信网络就是经过两种方式对其优化的，从而确保多种信息数据新鲜。第一，基于网络本身应用简单的拓扑结构，在数据发送路由方面预防路径多产生网络延迟性问题;第二，在节点信息传递时对信息编号，在接收信息时，按照节点编号顺序判断区域准确的顺序。（3）寻址通信和同步字。在通信网络中，在一个节点要向另外一个节点传递信息时，那么该信息会被目标节点所接收。同样的道理，在一个接待接收相同信息时，需要先确认信息，了解其是不是自身所处网络节点传递的信息，观察其是不是别的有关节点冒充的。据此，在对其开展射频通信网络以及定位技术设计时，需要经过各节点以寻址通信的形式进行。

3 射频通信网络以及定位技术节点定位方式

距离定位方式是按照其得到节点绝对距离了解未知节点的实际位置，在实际中的工作方法为TOA与TDOA、AOA与RSSI模式。在这之中，TOA是经过已经给出来的信号在空气中的传播速度，通过信号传输测验及其到达接收节点的时间差，其得到信号在传播时运用的时间差，再经过该时间差得到节点间的绝对距离。在经过3次定位等有关计算法对节点的实际坐标展开计算。TDOA是经过到达时间差有关定位手段，对已知信号开展信息传播，在这之中一个节点在实践过程中同时传递的几种不同传播速度的无线信号，在对其接受时，对这几种信号的时间差值进行获取，在借助速度和时间差对不相同节点的绝对距离计算，经过三边定位法了解具体位置坐标[3]。在接收节点获取信息时，会受到信号强度，即RSSI值所影响，基于其检测和仿真建立的数据模型，将RSSI和实际距离展开系统对应，从而了解其距离值，经过三边定位法取得节点位置坐标。在实践过程中，TOA与TDOA、AOA模式具备一定的精度，可是在实践的时候，其对于硬件提出了高要求，需要经过专门的硬件传感器来支持它，其耗能与成本在很大程度上制约了其使用范围。RSSI定位方法对硬件要求低，无需其他硬件设备，通常的射频模块在实践过程中均个够直接获得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随机性，在当前发展过程中运用模型均为经验模型，易于遭到外部环境因素所影响，在实践过程中不能经过RSSI值得到很精确的距离。据此，在实践的时候，需要和别的方式结合，才能够将其进度提高。

基于距离无关的定位算法在实践过程中，可按照节点之間的有关估计距离与网络连通性，对未知节点坐标开展正确的计算，在实践过程中不需要检测节点间的绝对距离和具体位置，在实践过程中的计算模式包含了质心算法与APIT算法等。其在实践的时候，具有计算量小，网络生存能力强，应用成本低，硬件要求低等特点，能够在实践过程中大范围使用。据此，在实践过程中可根据RSSI与质心定位算法，经过基于RSSI值的区域分划的质心定位算法对其开展准确的计算，这样的方式在实践过程中具备定位精准度高、计算简捷、操作便利等优势，可进行广泛运用。

4 射频通信网络定位算法的设计

4.1 定位技术基础

以下就对质心定位和基于RSSI测距的定位技术进行介绍，此乃改善定位算法的基础。

首先，质心定位。质心实际上就是多边形的几何中心，多边形顶点坐标平均值简言之就是质心节点坐标。多边形ABCDE顶点坐标是：A（X1，Y1），B（X2，2），C（X3，Y3），D（X4，Y4），质心坐标是：（X，Y）=（（X1+X2+X3+X4）/（Y1+Y2+Y3+Y4）/4），见图1所示。

过去的质心算法里面，移动节点是依照锚节点位置信息标注位置的，全部基于网络连通性，实现起来很容易。仅需要移动节点处在锚节点通信范畴以内，该位置坐标依据以下式子计算即可。（，）=（，），在这之中，（，）代表的是移动节点坐标，（，）表示锚节点坐标，n是锚节点个数。质心定位算法的优势在于计算量不大、网络生存性强、通信费用低、硬件要求不高。不足之处在于，进度会受到锚节点布设影响，在运用过程中，锚节点布设密度较小，所以，以往的质心定位算法有一定的误差，同时这种算法对锚节点资源利用率不大。

其次，RSSI测距定位。这一技术的基础实际上就是进行RSSI值测距。依照无线传播的基础规律，无线电信号在实际传递的时候出现了消耗的情况，这一消耗和传播路径是毫无关联的。RSSI值代表着的是电磁波通信大小的值，这一数值伴随距离增大而变小。在无线传播基础理论里面，阐述到的能量耗损的构建模式实际上就是路径耗损模型。这种模型可以划分成自由空间传播与对距离路径耗损模型等。

基于RSSI测距定位，虽理论中能够获得一个精准的位置坐标值，可事实上因为四周环境的干扰作用，常常具备很大的波动性，因此，其获取到的定位精度较低。

4.2 基于RSSI值的区域分划质心定位法

思考到硬件费用和计算的复杂性等方面，现如今工程应用中比较常用的就会质心定位算法与RSSI测距定位算法。虽这些算法具备一定的优势，可是其也有一些缺陷。质心定位算法对于锚节点的资源利用率较低，锚节点布设密集，定位精度更高，假设锚节点布设密度低，则定位精度也很低。基于RSSI测距的定位算法，不足之处在于RSSI值缺乏稳定性，在检测时会被四周环境所影响，进而造成经过RSSI值测距的不精确性，直接影响到定位的准确性。基于此，相关研究者对其进行了改善，这些改善的算法虽提升了定位的精度，可是计算的复杂性较高。所以，此次提出了改善算法，使用RSSI值测距虽易于遭到干扰，可是能够反映RSSI值本身和距离的关系，RSSI值大，那么对应距离就短。按照这一对应关系，此次提出的算法通过RSSI值对距离开展判断，同时把判断得出来的最终结论引入质心算法里面，改善质心算法提升定位精度。对RSSI值误差的解决，使用阈值限制法。该种改善定位算法精度和以往的算法比起来有极大的提升，同时计算量不大、通信费用低、网络比较稳定，能够在实际中运用。以下就对该算法进行了具体介绍。

（1）RSSI值模糊距离估计。任意一点到A点与B点间的距离设定成da，db，则da和db间关系有几种情况：da>db，da<db，da=db，见图2所示。易于发现第一象限与第四象限点和AB距离关系是da>db;第二、三象限的点和AB距离关系就是da<db;在中垂线L的点和AB间的距离关系为da=db。移动节点与锚节点所处地区同样可如此分划。RSSI值和距离间有一定的对应关系，可经过对比RSSI值大小明确距离关系。可是RSSI值易于被环境影响，有很大的波动性，可能产生相等距离。针对该种RSSI值检测误差，改善算法使用的对策是RSSI设置成可以允许误差范围Th，在某种情况下，倘若两个RSSI值差值这一阈值范围内，可认为其相等，同时对应距离也相等。

（2）定位算法模型的合理改造。移動节点在某种功率下朝多个已经存在的信息锚节点传递广播信息，当四周的锚节点接收信息以后，才能进行RSSI值检测。再者，在一定功率下，传递RSSI信息的定位数据帧到移动节点，接收到数据信息以后，必须要按照RSSI强度大小进行顺序排列，挑选几个RSSI值可以构成三角形锚节点定位。锚节点构成的三角形区域就是锐角、直角与钝角三角形。此次以三角形中的某一种状况加以阐述。锐角三角形中，作ab、bc、ac的中垂线，将其垂足划分为g1/g2/g3，交三角形别的边，比如f、d、e，这几条中垂线相交于g点。三角形abc分成6部分，各个部分都可以由abc坐标求得。

本次提出来的改善定位算法就是通过公式推断得出来的移动节点和锚节点距离关系，进而以此确定移动节点所处的具体区域。假使移动节点区域是多边形，那么移动节点坐标是所处区域质心。如若移动节点区域是线段，移动节点坐标出线段中点。

5 结语

在社会经济发展过程中，射频通信网络也得到了快速发展，在实践过程中涌现出了多种模式的射频通信网络。这部分射频通信网络在实践的时候各有优势，在不相同的行业中所发挥的作用也是不同的。在这之中，定位行业中运用射频通信网络与定位技术的发展是整合射频通信网络与定位技术，从而达到定位费用减少的目的，提高执行的容易程度，加强整体进度，促使其可持续发展。

参考文献

[1]张海朝，李晓波.一种基于GSM及无线射频通信的共享雨伞系统[J].信息通信，2018，（9）：55-56.

[2]王行娟，杨奎.基于射频通信的GPS定位系统设计[J].无线互联科技，2017，（23）：63-64.

[3]吴倩，钟玲玲.基于超声测距和射频通信的液位监测系统的设计[J].电脑知识与技术，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