基于無線電相干的傳感器網絡節點定位

海小娟,梁宏倩

(西安文理學院，陜西西安，710065)

基于無線電相干的傳感器網絡節點定位

海小娟,梁宏倩

(西安文理學院，陜西西安，710065)

目前無線傳感器網絡節點定位算法中，能夠兼顧高精度和遠距離定位的算法只有RIPS方法，然而該方法利用匯聚節點進行集中定位。提出了一種基于無線電相干的角度估計算法，并分布式定位節點，在高精度、遠距離定位節點的同時，可大規模應用該算法，且定位速度快。實驗表明，該方法平均方位估計誤差是3.20，90%的測量值誤差在6.4度以內。

無線電相干；角度估計；節點定位

0 引言

無線傳感器網絡（WSN）是當前國際上備受關注的、由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域。目前一般的定位方法都是依靠聲音或者無線電波這兩個媒介來定位，但他們都有明顯的缺陷。基于精確測距的技術（典型的有聲音定位）其測量距離有限，并且受到方向限制。使用無線電波定位的方法通常依靠接收信號強度（RSS），該方法在短距離上相對比較精確，但是幾米之外就不是很準確了。利用對射頻干涉信號的相位測量提出一種RIPS方法,可以實現高精度遠距離定位,然而該方法利用匯聚節點收集相位測量結果并進行集中定位，顯然,系統的擴展性將受到節點數量的制約。

1 無線電相干

無線電相干利用兩個發射機直接產生相干信號。如果兩個發射機的頻率幾乎相同，則合成信號一定含有一個低頻包絡，該包絡信號能被低頻RF芯片使用RSSI來測量。相位差依靠許多因素，包括傳輸起始時間。然而，兩個接收機之間的相對相位差只依賴于兩個接收機和兩個發射機的位置以及載頻波長。

建模無線電RSSI電路：RSSI信號是進來的信號經過混頻到中頻后的用dBm表示的功率。之后低通，低通頻率是fcut。用r（t）表示低通濾波后的信號。

2 角度估計及定位

將上面的A、B、C三個節點放在一起形成一個天線陣列。A、B兩個節點發射頻率相近的正弦波來相干產生一個低頻beat信號。在第三個陣列節點C和目標節點D測得的相位差是后者位置的雙曲線函數。假設陣列的中間點位置已知，陣列的各個天線到

中間點的距離已知。該陣列包括三個節點，一個主控節點（M）和兩個輔助接點（A1，A2），如圖1所示。在預先確定的時間，M和A1發送頻率相近的兩個正弦波，這兩個波相干產生一個低頻beat信號，該信號的相位通過A2和一個接收節點R來測量。

圖1 角度估計示意圖

雙曲線方程為：

利用兩組不同位置的天線陣列，求出兩個角度值，根據幾何圖形利用三角公式即可求出節點R的位置。

3 節點設計

一般傳感器網絡節點的基本組成和功能包括如下幾個單元：傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統構成，包括 CPU 、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分，如圖2所示。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。

圖2 傳感器網絡節點結構示意圖

本節點只用來驗證算法的有效性和定位精度，不需要傳感單元、移動系統及電源自供給系統。處理器模塊采用的是AtmelAVR系列的一款8位處理器ATmega128L,其時鐘頻率為7.3728MHz,具有128K字節的系統內可編程Flash、4K字節的SRAM,以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。無線收發模塊采用的是Chipcon公司的CC1000無線射頻模塊,其通信頻率為433MHz。在基于事件驅動的操作系統TinyOS開發環境上,利用組件化/模塊化的nesC語言,完成定位系統及算法的設計和實現。

4 實驗驗證

通過兩個實驗來驗證。在實驗1中，測量六個接收節點的方位精度，他們圍繞天線陣列每隔60度放置一個，距離中心點10米。這個實驗確認天線陣列方向性如何影響方位誤差。在實驗2中，測量14個接收節點，這些節點分布于方形區域內，區域外圍分布三個天線陣列。實驗設置如圖3所示。

圖3 實驗設置

在實驗1中對每個節點執行50次方位估計。平均方位誤差顯示在圖4a中。對于實驗2，每個接收節點從每一個錨節點到接受節點分別執行35次方位估計，每一個接收節點共接受105個估計，一共是1470個估計。圖4a顯示了實驗1中每一個方位的誤差。圖4b顯示的是分布式的方位估計誤差。平均方位估計誤差是3.20，90%的測量值誤差在6.4度以內。

圖4 實驗誤差示意圖

5 結論

基于無線電相干技術，提出一種分布式可大規模應用的角度估計定位算法。該定位方法定位精度高、距離遠，并且因為各個目標節點自身定位，所以該方法是分布式的、可大規模應用的，且速度快。下一步的工作是利用角度信息優化位置估計。

Y. Kwon, K. Mechitov, S. Sundresh, W. Kim and G. Agha,Resilient localization for sensor networks in outdoor environments, Technical Report UIUCDCS-R-2004-2449, Department of Computer Science, University of Illinois at Urbana Champaign, 2004.

海小娟.女.1980年出生.陜西寶雞.講師.研究方向：計算機科學與技術

Node localization in sensor networks based on wireless coherent

Hai Xiaojuan,Liang Hongqian
(Xi’an University of Arts & Science,Xi’an,710065,China)

At present,wireless sensor network node positioning algorithm,capable of both high precision and long distance positioning algorithm only the RIPS method, however,the sink node centralized location. An estimation algorithm is proposed based on the perspective of radio interference,and distributed node localization,in the high accuracy, remote location nodes at the same time,large-scale application of the algorithm,and the positioning speed. Experiments show that,the average estimation error is 3.20,90% of the measurement error in 6.4 degrees.

radio interference;angle estimation;node localization

TN98

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