無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)距誤差分析

張林山，蘇應(yīng)敢，姚建，王彥

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100)

0 前言

基于UWB 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，將成為下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。在UWB 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)消息中不可缺少的部分，是時(shí)間報(bào)告、目標(biāo)跟蹤、地理路由、網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)功能的前提。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布放后實(shí)時(shí)地進(jìn)行定位，定位是UWB 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能之一。UWB 傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位算法主要分為兩類:基于測(cè)距的算法和非基于測(cè)距的算法，基于測(cè)距的算法主要有基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間的TOA(time of arrival)、基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的TDOA (time difference of arrival)、基于到達(dá)角度估計(jì)的AOA (angle of arrival)和基于接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)的RSSI (received signal strength)等，距離無關(guān)的定位算法主要有質(zhì)心算法、凸規(guī)劃、DV－Hop、Amorphous、MDS－MAP 和APIT［1－3］。

定位能力是評(píng)價(jià)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要指標(biāo)，它代表傳感器網(wǎng)絡(luò)在各類情況下對(duì)自身節(jié)點(diǎn)位置判定的準(zhǔn)確度水平。評(píng)價(jià)定位能力的優(yōu)劣，主要通過描述定位精度的高低來進(jìn)行，定位精度與采用的定位算法有著密切的聯(lián)系，而定位算法的精度與各影響因素有著至關(guān)重要的聯(lián)系，因此，本文從傳統(tǒng)的基于測(cè)距的定位方法入手，分析了影響TOA 測(cè)距精度的因素。

1 基于測(cè)距的UWB 定位方法分析

在無線系統(tǒng)中，定位一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)涉及收集目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)間無線信號(hào)的距離信息。下面將分析TOA、TDOA、AOA 和RSSI 四種方法的優(yōu)缺點(diǎn)［4］:

1.1 TOA 方法

基于TOA 的定位就是根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后根據(jù)距離計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。

基于TOA 的定位精度高，但要求節(jié)點(diǎn)間保持精確的時(shí)間同步，因此對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和功耗提出了較高的要求［5］。

1.2 TDOA 方法

在基于TDOA 的定位機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)(常使用RF 和超聲波信號(hào))，接收節(jié)點(diǎn)通過記錄兩種不同信號(hào)到達(dá)時(shí)間差異，根據(jù)已知信號(hào)傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，再通過已有基本的定位算法算出節(jié)點(diǎn)的位置。

TDOA 技術(shù)對(duì)硬件要求高，成本和能耗使得該種技術(shù)對(duì)低能耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了挑戰(zhàn)。但是TDOA 技術(shù)測(cè)距誤差小，有較高的精度。

1.3 基于AOA 的定位

在基于AOA 的定位機(jī)制中，接收節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或多個(gè)超聲波接收機(jī)感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度，再通過三角測(cè)量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。

基于AOA 的定位不僅能確定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，還能提供節(jié)點(diǎn)的方位信息。但AOA 測(cè)距技術(shù)容易受到外界環(huán)境影響，且AOA 需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1.4 基于RSSI 的定位

在基于RSSI 的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，然后計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。

基于RSSI 的定位，因傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有無限通信能力，故其是一種低功耗、廉價(jià)的測(cè)距技術(shù)。它的主要誤差來源是環(huán)境影響造成的，信號(hào)傳播模型的建模復(fù)雜，反射、多徑傳播、非視距、天線增益等問題都會(huì)對(duì)相同距離長(zhǎng)生顯著不同的傳播損耗，因而是一種粗糙的測(cè)距技術(shù)［6］。

2 基于TOA 定位的誤差源

基于TOA 的定位比較簡(jiǎn)單，在工程應(yīng)用中容易實(shí)現(xiàn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的定位方法，下面將對(duì)該方法的誤差源進(jìn)行分析，為以后實(shí)際應(yīng)用中的修正提供理論依據(jù)。影響TOA 測(cè)距的誤差源主要有以下幾個(gè)方面:

1)溫度、濕度和大氣壓:超寬帶脈沖信號(hào)的傳播速度對(duì)相對(duì)濕度和大氣壓強(qiáng)不是非常敏感，但對(duì)溫度的變化確實(shí)非常敏感的:在其實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，時(shí)，測(cè)距誤差;時(shí)，測(cè)距誤差;時(shí)，測(cè)距誤差;時(shí)，測(cè)距誤差高達(dá)。因此，溫度是影響UWB 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于TOA 定位的極其重要的一個(gè)因素。

2)多徑傳播:如果信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)間存在障礙物，及兩節(jié)點(diǎn)間是非視距路徑，那么UWB 信號(hào)可能穿透障礙物或經(jīng)過障礙物的反射到達(dá)節(jié)點(diǎn)。這兩種情況都會(huì)引起信號(hào)傳輸更長(zhǎng)的距離，從而導(dǎo)致誤差。

3)軟件處理延遲:接收來自信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的消息的軟件處理時(shí)間，這個(gè)時(shí)間依賴于處理器的速度。由于所計(jì)算的時(shí)間要乘上光速，因此，時(shí)間上很小的誤差，都可能造成很大的測(cè)距差，從而導(dǎo)致較大的定位誤差。

4)UWB 信號(hào)頻率和天線增益:UWB 信號(hào)在空氣中，頻率和天線增益越高，功率就越大，精度也就越高，但在空氣中衰減會(huì)越快，傳輸距離也越短;反之，信號(hào)在空氣中衰減就越慢，傳輸距離也越長(zhǎng)，但誤差也會(huì)更大。電池的不足也會(huì)造成測(cè)距誤差。

5)電磁干擾:電磁干擾會(huì)對(duì)信號(hào)發(fā)送和接收有較大的影響，使得信號(hào)在不同角度上的信號(hào)差異比較大，從而造成相應(yīng)的誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間的TOA(time of arrival)、基于接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的TDOA (time difference of arrival)、基于到達(dá)角度估計(jì)的AOA (angle of arrival)和基于接收信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)的RSSI (received signal strength)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上分析了影響TOA 定位精度的誤差源，為今后UWB 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOA 定位的校正及參數(shù)修正提供了一定的理論依據(jù)。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:140－155.

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［5］POOR H V.An Introduction to Signal Detection and Estimation ［M］.2thed.New York:Springer－Verlag，1994

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