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基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

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资料介绍

传统物联网节点定位方法易受噪声干扰,导致定位时延较高、精度较小.提出基于光纤复用技术的物联网节点定位研究方法,建立基于光纤复用技术的物联网,采用中值滤波法去除物联网中的噪声后,建立节点信号光纤衰减模型削弱外界干扰噪声,在此基础上使用三角定位法获取物联网节点的初始位置信息,依据该信息通过无损卡尔曼算法完成物联网节点的精确定位.实验结果表明,所提方法可有效定位基于光纤复用技术的物联网节点,且误差范围处于[0.2m,0.39 m]区间内,误差概率仅为2％;定位时延均值为2s,具有较高的定位效率和精度.

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刘志龙等：基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

《激光杂志》2019年第40卷第7期LASER JOURNAL(V01．40，No．7，2019)

基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

刘志龙1，杜远坤2，张淋江1，李志伟2

／1．河南牧业经济学院网络管理中心，郑州450011．、

／

＼2．郑州科技学院信息工程学院，郑州450064

摘要：传统物联网节点定位方法易受噪声干扰，导致定位时延较高、精度较小。提出基于光纤复用技术

的物联网节点定位研究方法，建立基于光纤复用技术的物联网，采用中值滤波法去除物联网中的噪声后，建立

节点信号光纤衰减模型削弱外界干扰噪声，在此基础上使用三角定位法获取物联网节点的初始位置信息，依据

该信息通过无损卡尔曼算法完成物联网节点的精确定位。实验结果表明，所提方法可有效定位基于光纤复用

S，具有较高

技术的物联网节点，且误差范围处于[0．2 m，0．39 m]区间内，误差概率仅为2％；定位时延均值为2

的定位效率和精度。

关键词：光纤复用技术；物联网；节点定位；中值滤波；噪声；无损卡尔曼算法

中图分类号：TN929

文献标识码：A

DOI编码：10．14016／j．cnki．jgzz．2019．07．079

based on fiber

Research on node localization

Internet of

technology

things

multiplexing

Zhiwei2

LIU

Zhilon91，DU Yuankun2，ZHANG

Linjian91，LI

and

Econ。my，Zhengzh。u

of Animal

1· Network

center，Henan uniVersity

Husbandry

Management

450011，china；1

of Information

Engineering，Zhengzhou 450064，China／

＼2．Zhengzhou College

the

Science&Technology，Department

centroid location correction method iS used to locate the nodes of the Internet of

Abstract：When

time

weighted

noise interference．This

low due to

relatively

forward

and

of the location are

things，the

delay

precision

paper puts

on fiber

based

Internet of

to the location of nodes in the Internet

muhiplexing technology．An

is removed

approach

things

based on fiber

noise in the Interuet of

median

technology

established，the

things

muhiplexing

node

weaken external interference noise．On these

attenuation model

signal

informationof the Internet of

established to

filtering method，and

node is obtained

the

precise

initial location

basis，the

things

lossless Kalman

by triangulation method，and

results show that the

location of the Internet of

node iS achieved

things

algorithm．The experimental

nodes based on fiber

locate the Internet of

the er—

method can

effectively

things

error

multiplexing technology，and

time

proposed

positio-

ror

is within the

interval[0．2m，0．39m]，the

probability ^is^only^{2％and the mean}

delay

range

has

and _precision．

high positioning efficiency

ning

S，which

things；node positioning；median filtering；noise；

words：fiber

Key

optic multiplexing technology；Internet

algorithm

non—．destructive Kalman

因此，物联网的节点定位成为目前相关学者关注的热

点问题。文献[1]提出的改进加权质心定位修正方法

易受噪声干扰不能充分使用物联网局部信息，导致物

引言

物联网(Internet

things，loT)简称物物相连的物

联网，基于互联网之上能够无限延伸与扩展，它的终

端可定义为任意具备信息交换能力的物品。物联网

中的智能感知、检测等技术，是网络融合中必不可缺

联网节点定位时延较高、精度较小；文献[2]采用多目

标跟踪方法定位物联网节点时，实现过程较为简单，

不能准确处理计算量大的物联网节点问题。文献[3]

提出基于邻域旋跳迭代机制的无线传感器网络节点

定位方法，该方法适用于少数物联网节点定位，不适

用于海量物联网节点定位问题，具有较高的局限性。

基于以上所述的问题，本文提出基于光纤复用技

术的物联网定位研究方法，考虑到物联网内外都存在

一定的噪声干扰，采用中值滤波法和建立节点信号衰

减模型两种措施对物联网内外部噪声进行处理；然后

的一部分，处理大量物联网数据时，最重要的是节点

选择，节点选择算法的优劣会直接影响系统的性能．

收稿日期：2019—01—17

基金项目：河南省(No．2017SJGIXS00)；河南省高等学校重点科研项目

课题(No．14A520014)；郑州市科技计划项目课题(No．20140670)

作者简介：刘志龙(1984一)，男(汉族)，河南安阳人，硕士研究生，讲

师，主要研究方向：网络安全及物联网应用。

http：／／www．1aserjournal．ca

万方数据

刘志龙等：基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

《激光杂志))2019年第40卷第7期LASERJOURNAL(V01．40，No．7，2019)

对基于光纤复用技术的物联网节点采用初始定位和

精确定位两个过程，实现物联网节点的精确定位。

与光电子技术的逐渐提升，脆弱、易折的光纤通过保

护后柔韧性也得以提升"J。

由于物联网中存在海量数据，并且容易受到强噪

声的干扰，导致物联网节点定位出现误差，因此本文

采用中值滤波法去除物联网中的强噪声。

2基于光纤复用技术的物联网节点定

位研究

2．1

建立基于光纤复用技术的物联网

2．2物联网内噪声去除

建立基于光纤复用技术的物联网结构由感知层、

网络层和应用层3个层面构成，各个层面中选择具有

多样化。感知层主要用于识别物体与搜集信息，其中

包含二维码标签、识读器、视频检查识别、全球定位系

统、摄像头、传感器和传感网等。网络层主要用于传

输、交换和处理感知层信息，其中包含各种通信互联

网网络，例如无线通信网、有线通信网、物联网信息中

心与管理中心等H1。应用层是智能化应用的主要核

心，是各行各业技术的高度融合和应用，也是智能化

的技术基础。光纤复用技术主要体现在感知层和网

络层中，本文构建的基于光纤复用技术的物联网结构

用图1描述：

采用中值滤波法去除基于光纤复用技术的物联

网中的噪声，中值滤波法不仅可以有效过滤噪声，还

可维护数据的完整性。8J。中值滤波法将节点序列里

某点的值和此点邻近的各点值的中值替换，设物联网

里的初始节点数字序列式为o。，口：，，。。把上述n个

数值按照大小顺序排列，中值为：

芦删如，以卜{磊

其中，z表示基于光纤复用技术的物联网节点经

2．3构建节点信号衰减模型

由于定位基于光纤复用技术的物联网节点时，不

仅物联网内部存在噪声，外界的弱噪声也会对定位产

生干扰[9]，因此本文采用光纤复用技术建立节点信号

j图国图圈圈圜图图i应用层

衰减模型，削弱外界噪声对物联网的干扰。定位物联

网节点时，由于外界噪声的干扰，导致节点发射的光

网络层

信号强度会出现变化，而定位时必须依据节点发射的

光信号强度的衰减水平计算物联网节点和参考节点

的距离¨ 0|。在实际应用中，物联网中节点发射光信

号强度的衰减模型分为自由光纤空间衰减模型与对

数正态分布光纤衰减模型。使用公式(2)描述物联网

节点信号的自由光纤空间衰减模型：

／^，、“

(2)

F。F，彳

g，(z)=q。I南I

图1 基于光纤复用技术的物联网结构图

、o¨ t,／

(1)光纤复用技术在物联网感知层的应用。光纤

复用技术的优势是基于光纤自身的特殊物理特征。

光纤外部环境的一些物理特征量，例如温度、压力、形

变、振动等，容易出现特别微弱的变化，光纤里使用光

纤复用技术后传输的光特性(光强、相位、波长、偏振

态等)也会出现变化，使用特殊的光信号处理方式可

以获取此类变化的特征，所以，光纤复用技术的灵敏

性较高。光纤复合技术能够将“感”与“传”进行融

合，其具有体小质轻、具有弯曲性能好的优势，且不易

受外界电磁影响，在环境复杂、远端无法供电的场所

都可使用‘引。

使用公式(3)描述物联网节点信号的对数正态分

布光纤衰减模型：

，，、

(3)

q，(z)=g，(f0)一10fllgI f)+s

、00／

式中，b代表物联网节点和参考节点问的距离；q。

(z)代表参考节点获取的光信号强度；q。代表物联网

节点发射光信号的强度；y代表载波波长；F。代表物

联网节点信号发射的天线增益，F，代表参考节点获取

的天线增益；q，(f。)代表参考距离k的参考节点获取

的物联网节点光信号强度；JB表示路径衰减因子，s表

示随机的高斯变量。

(2)光纤复用技术在物联网应用层的应用。光纤

复用技术在物联网应用层中主要用于远距离的信息

传输与短距离的信息接入。远距离传输是基于远距

离大容量或者复杂环境下的点对点的数据信息传输、

公式(2)主要使用在理想的信号传播环境里节点

通信的路径中。而实际应用中，容易遭受外界噪声干

扰信号的影响¨ 1|，所以经过对比采用公式(3)作为物

联网节点光纤信号强度的衰减模型，削弱外界噪声对

物联网的干扰。

J。其次，随着光纤复合技术

网对网的数据信息传输‘6

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刘志龙等：基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

JOURNAL(V01．40，No．7，2019)

《激光杂志》2019年第40卷第7期LASER

型e中，戈。J=(戈。1，Y。1)7，戈f12=(戈112，Y。2)7，戈n3=(戈n3，

2．4物联网节点的位置估计

Y以)1表示物联网节点n(n=1，2，3)的坐标向量，W。

在已知参考节点和物联网节点的距离的基础上，

表示节点信息，r。代表物联网空间数量向量，f。代表

使用适合的定位方法可对物联网节点实行初始定

位¨ 2|。三角定位法具备计算量小、简单便捷的优势，

所以使用三角定位法对物联网节点实施初始定位。

三角定位法是根据参考节点至物联网节点间的距离

与节点的位置信息，获取节点位置的估算值。13。。参

考节点的位置信息采用GPS获取，设物联网节点的一

空间距离向量，s。代表空间量的外界干扰，日。表示雅

克比矩阵，日。的计算公式是：

Y。-y。1

fml

戈m--Xn2

y。-Y．2

(8)

即志=

lrrl2

fTll2

跳范围里的参考节点数量为3，分别是：(戈。，Y。)1、

(戈：，Y：)。和(戈，，y，)1，设该三个参考节点至所基于光

纤复用技术的节点的距离依次是f。、f：和f3。则基于

光纤复用技术的物联网节点的输出位置坐标是(戈，

其中，e代表计算参数。

根据参考节点获取的物联网节点信号的强度设

成测量值，可以减少由信号强度信息转换成距离信息

产生的误差‘161。通过式(8)获取物联网节点的精确定

位信息，实现基于光纤复用技术的物联网节点定位。

，，)。，戈和Y代表节点坐标，丁代表向量参数，则有：

(4)

3实验结果与分析

／菇＼／2(戈l一并2)2(y1-y2)＼一／戈；一石22十y2l一)，22十￡22一f乱

3．1实验环境设置

【yJ

212(戈，一戈z)2(Y3一y：)J× I戈；一戈；+y，2一y：2+z；一巧J

为验证本文方法在定位物联网节点中的优越性，

需要进行仿真实验。实验设定在Matlab7．1环境中进

行，基于光纤复用技术的物联网节点随机设定在矩形

的区域里，使用改进加权质心定位修正方法、多目标

跟踪方法与本文方法在同一环境中进行对比实验。

定位基于光纤复用技术的物联网节点时，使用定位误

差与定位误差概率评判三种方法的定位性能。使用

公式(9)计算三种方法的物联网节点定位误差：

(5)

根据公式(5)可以获取基于光纤复用技术的物联

网节点的初始位置信息的坐标向量(戈，y)。，实现物联

网节点的初步定位¨ 4|。

2．5

物联网节点精确定位的实现

假定物联网节点的坐标是戈=(算，Y)1，那么第in

次迭代后节点位置的坐标向量为石。=(戈。，Y。)1，因为

节点的位置是固定的，所以节点定位过程可以采用线

性函数来表示：

(9)

err=、／(z一戈。)2+(y-y。)2

三种方法定位时的误差概率：

戈。+1=fm(戈。)+秽。=Bx。+到。

(6)

式中，名。描述物联网节点位置的二维向量，秽。表

示定位过程里外界的弱噪声干扰，B表示物联网节点

的状态矩阵。

(10)

Ko．-了ei

式中，石=(戈，Y)’表示物联网节点的初始坐标向

量，戈。=(石。，Y。)1表示第m次迭代后物联网节点的

坐标向量，l，表示迭代次数，ei表示物联网节点定位时

的误差次数。

物联网节点定位的准确率是根据测量的实际值

判定的，以往的节点定位测量值将参考节点与定位节

点间的距离设成测量值¨ 5|。本文方法将参考节点获

取的信号强度设成测量值，用公式(7)描述，依据参考

节点获取的信号强度获取物联网节点的定位信息，用

公式(8)描述。将参考节点和物联网节点间的距离设

成测量值的情况下，假设l=(Z．，l：，如)11是物联网节点

和参考节点“(M=1，2，3)问的距离向量，f。=(f。。，f柁，

3．2结果对比分析

使用不同方法定位物联网节点时，三种方法分别

独立实行200次仿真实验，获取的迭代次数和节点定

位误差问的实验结果用图2描述：

Z。，)表示第m次迭代后的距离向量。使用下述公式

表示物联网节点的定位函数：

Wm=fm=sm(戈m)+rm=日m戈m+rm

、厄i瓦y玎i：石r

(7)

迭代次数／次

图2三种方法的物联网节点定位精度比较

分析图2可知，本文方法的定位误差波动的范围

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刘志龙等：基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

《激光杂志)2019年第40卷第7期LASER JOURNAL(V01．40，No．7，2019)

最小，定位误差波动幅度也最小，说明本文方法不仅

定位精度高，而且收敛性较好。

参考文献

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质心定位修正算法[J]．微电子学与计算机，2017，34

(3)：74-78．

三种方法对物联网节点定位时的误差概率实验

结果如图3所示：

[2]

王瑞锦，郭祥，王佳昊，等．无线传感器网络动态轨迹多

目标跟踪算法[J]．电子科技大学学报，2016，45(2)：

233—239．

零70

薄60

鞋50

[3] 曹世华，王琦晖，王李东．基于邻域旋跳迭代机制的无

椭40

9{15

线传感器网络节点定位[J]．计算机工程，2016，42(7)：

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误差区19

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感技术的架空线路温度检测现场试验研究[J]．高电压

技术，2015，41(3)：925—930．

图3三种方法的误差区间实验结果比较

分析图3可知，在全部误差区间[0，1．6]中，本文

方法的误差概率始终为2％，且没有波动，在误差区间

为[1．0，1．2]时，改进加权质心定位修正方法的误差

概率最大值高达80％；多目标跟踪方法的误差概率最

大值高达80％。进一步验证说明本文方法的收敛性

较好，定位精度较高。

[5] 李红，祝连庆，闫光，等．基于改性型UDP和CIGI的光

纤光栅高速解调技术研究[J]．仪器仪表学报，2016，37

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GIS隔离开关触头温度在线监测技术[J]．电工技术学

报，2015，30(12)：298—306．

统计上述定位实验中三种方法对物联网节点定

位的时延数据，对比结果见表1。

MANDAL

U．Predic—

mul-

incorporating

[7]

M，MUKHOPADHYAY A，MAUHK

tion

subcellular localization

protein

表1本文方法的定位时延(单1影s)

PSO-based feature subset selection into the

tiobjective

gen-

En—

eral form of Chou’S

误差区间

本文方法

改进加权质心方法多目标跟踪方法

PseAAC『J]．Medical＆Biological

6．2

6．5

23．2

[0，0．2]

gineering&Computing，2015，53(4)：331—344．

23．5

[8]

何少灵，郝凤欢，刘鹏飞，等．温度实时补偿的高精度光

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[O．4，0．6]

纤光栅压力传感器[J]．中国激光，2015，42(6)：166—

170．

34．9

[0．6，0．8]

[0．8，1．O]

a1．A Node

A1一

Localization

[9]SHANGF，YI J，XIONG A，et

37．1

Based on

Division and

gorithm

the

Multi—Granularity

Regional

32．1

30．8

[1．0，1．2]

[1．4，1．6]

Method in Wireless Sensor Networks

Lagrange Multiplier

[J]．Sensors，2016，16(11)：1934．

对比分析表1的数据可知，在相同误差区间和迭

代次数的前提下，本文方法的定位时延均值为2 s；改

进加权质心定位修正方法的定位时延均值高达7 S；

多目标跟踪方法的定位时延最多，高达37．1 S。说明

本文方法定位物联网节点时的时延小，定位效率快。

[10]刘杰，高静，许冠军，等．基于光纤的光学频率传递研究

[J]．物理学报，2015，64(12)：106—114．

[11]QUAN U，SUN S，XU

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G，et

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[12]冷丹，郝耀鸿，徐智勇．基于偏分复用技术的CO—OFDM

系统模型分析[J]．光通信研究，2015，41(3)：5-8．

[13]孙菲，谢亮，漆晓琼，等．基于波长可调谐光时域反射计

的波分复用无源光网络监测技术研究进展[J]．激光与

光电子学进展，2015，52(6)：54—60．

4结束语

提出基于光纤复用技术的物联网节点定位研究

方法，先对基于光纤复用技术的物联网内外噪声进行

处理，降低噪声对定位精度的产生干扰；再使用三角

定位法获取物联网节点的初始位置信息，通过无损卡

尔曼算法完成物联网节点的精确定位。实验数据表

明，本文方法的定位误差范围处于[0．2m，0．39m]区

间内，波动较小，说明本文方法的收敛性较好；误差概

率仅为2％；定位时延均值为2 s，说明本文方法进行

物联网节点定位过程中的定位误差小、效率快，具有

较高的应用价值。

[14]张淋江，乔苋艚．无线传感器网络自适应蚁群定位算法

研究[J]．压电与声光，2016，38(1)：178—182．

[15]付松年，王艳林，兰天野，等．基于多芯少模光纤的传输

与传感应用(特邀)[J]．光通信研究，2017，43(6)：12—

20．

[16]熊剑，周先赞，陆泽橼，等．基于CDMA—TDMA结合的

室内超声波定位方法[J]．压电与声光，2016，38(1)：

125—129．

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