無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測距算法

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOFM距算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W ire less Sensor Network, WSN ) 中節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位對傳 感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有重要的意義。根據(jù)定位過程中是否測量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離，可將定位算法劃分為與距離無關(guān)的定位算法和基于距離的定位算法。與距離無關(guān)的如質(zhì)心 算法，凸規(guī)劃法，DV 2Hop算法，APIT算法等，其特點(diǎn)是定位簡單，對節(jié)點(diǎn)硬件條件 要求低，但定位精度較差；基于距離的定位算法包括基于信號飛行時間時間(TOF),基于到達(dá)時間差(TDOA ),基于到達(dá)角度(AOA ),基于信號接收強(qiáng)度(RSS的定位算 法等等。通常來說，它們對節(jié)點(diǎn)硬件要求較高，能耗較大，但具有較高

2、的定位精度?；跍y距的方法定位是利用錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的幾何關(guān)系來確定未知節(jié)點(diǎn)的位 / J1r |°-置，通過未知節(jié)點(diǎn)與三個或三個以上的錨節(jié)點(diǎn)距離信息，再根據(jù)三邊測量法或最大 似然估計法可以求得未知節(jié)點(diǎn)的位置。所以其關(guān)鍵是準(zhǔn)確測量出未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離，本文主要分析TOF勺測距方法。1測距算法基于信號飛行時間的測距算法有：到達(dá)時間法 (TOA, time of arrival )、雙口 廣方式法(TWR, tow way ranging )、對稱雙邊雙方式法(SDS-TWR , symmetric double-sided two way ranging) 等。1.1 TOA算法一對

3、裝有無線收發(fā)器的節(jié)點(diǎn) A B可以通過電磁波信號從A傳播到B所用的時間來 估算。圖1為到達(dá)時間法的信號傳播示意圖。設(shè)移動節(jié)點(diǎn) 睡雙方約定的時刻發(fā)出測 距信息，節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送的信號中包含一個同步消息，告知節(jié)點(diǎn)B言號發(fā)送的時間T0,節(jié)點(diǎn)B#受信號的同時接收同步消息，并記錄接收時間T1,則信號飛行時間Tp=T1-T0。精心整理設(shè)電磁波在大氣中傳播速度為C( 3 x 10"m/s ),飛行時間為Tp,節(jié)點(diǎn)AWB的距離可 以估算為S=C、 TpTO側(cè)距的關(guān)鍵是節(jié)點(diǎn)AW節(jié)點(diǎn)B寸間必須要嚴(yán)格同步。電磁波的速度為 3X10/m/s, 如果雙側(cè)時鐘誤差為1ns,測量距離誤差即為0.3m。如果要求測距誤差為

4、1m,則允 許雙側(cè)的時鐘誤差不超過3ns。TP>1aJnB-J圖1 TOA測距原理圖考慮到當(dāng)A到達(dá)T0時刻時，節(jié)點(diǎn)A將包含發(fā)送時刻T0的數(shù)據(jù)包調(diào)制到信號波上的時間 為T,時間T為一個可測常量，故實(shí)際信號飛行時間* n/ 廣廣 IT曲=T1-T0-Tl ' / 1片產(chǎn)'實(shí)際距離S=C T-TOA勺誤差主要來源于A, B節(jié)點(diǎn)時間不同步的誤差和皿點(diǎn)晶振頻率漂移導(dǎo)致計時時 間T1不準(zhǔn)的誤差?？梢赃x擇頻率高穩(wěn)定性高的晶振來減小頻率漂移的誤差，但相對(，二 X 二"尸的能耗和費(fèi)用就會增加。下面分析頻率漂移帶來的誤差。在節(jié)點(diǎn)A,B同步的條件下，假設(shè)B的精準(zhǔn)時鐘月沖頻率為f,實(shí)

5、際晶體因?yàn)橹圃旃に?，環(huán)境溫度變化等因素影響 下，頻率漂移為阡，即實(shí)際頻率為:=f+ f其?f為一個隨時間變化的隨機(jī)量。則實(shí)際測量的時間t，為t =t(1+ )由此可知由于頻率漂移使得測量時間與實(shí)際時間的誤差為t；。1.2 TW博法精心整理圖2為TW趺的信息交換示意圖。節(jié)點(diǎn) 展出測距信息，同時啟動計時器計時，經(jīng) 過Tp后節(jié)點(diǎn)B攵到信息，但由于雙側(cè)時鐘不同步，節(jié)點(diǎn) B無法確認(rèn)Tp。節(jié)點(diǎn)B攵到信息 后立即啟動計時，若收到的是本方的測距命令后，則向節(jié)點(diǎn)A發(fā)出應(yīng)答信息(信息中包含本方處理時間設(shè)為T2),節(jié)點(diǎn)旅(2Tp+T2 )時間后收到應(yīng)答信息后終止本輪計時。 一輪測距所以往返時間為T1T1=2Tp+T

6、2對于節(jié)點(diǎn)B, T2為可測常量，因此有飛行時間T1 - T2 TP=AB1.1. I 1. ,-T1 圖2 TWR測距原田2A與B間的距離S仍然是S=C Tp?？梢钥闯霰痉椒ú恍枰狝,B間的時間同步，但是需要A,B分別使用本方的時鐘計時，若A,B兩側(cè)時鐘頻率有偏差，將會導(dǎo)致誤差，設(shè) A,B兩 一 亓側(cè)晶體頻率的誤差為eA和eB(e=y),可以求得其導(dǎo)致的計時誤差為: ：1T=eATp+ (eA-eB)T2 (，二 X 二"尸由于A,B間信號飛行時間遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)包處理時間，故可以省去上式第一部分得到的誤 差為1 T= ： (e A-e b)T21.3 SDS-TWR# 法為了避免雙方式方

7、法中A,B晶體頻率誤差引起的計時誤差，引入 SDS-TWR法。如圖3所示，AtB發(fā)起一輪TW暗，B再對A發(fā)起一輪TWR由此可以看出信號飛行 四次。T1,T3分別為A,B所計時的一輪測距所用往返時間，T2,T4為A,B處理數(shù)據(jù)的時 間，得到的單次飛行時間為Tp二(T1-T2+T3-T4)圖3 SDS-TW惻距另一次由B發(fā)起，由B發(fā)起的測距,與TW相比，此為兩次TW修測距，一 引起的計時誤心'= (e B-eA)T4所以兩次測距的總誤差為1 1 .< T=，(；T+)= (eA-eB)(T2-T4)對比TO鹿口丁川可以看出，SDS-TWR大降低了由晶體震蕩頻率的漂移所引起的誤差。2測

8、距誤差分析< 尸廠M 1:，對于TOF勺測距來說，距離測量誤差主要來源于系統(tǒng)誤差和非視距及多徑效應(yīng)。 'I 1',系統(tǒng)誤差主要是飛行時間的測量誤差，如前面所講的晶振頻率漂移帶來的誤差就屬于系統(tǒng)誤差。如前面所示，SDS-TWR比TO抹DTW%很好的克服頻率漂移帶來的誤差。非視距及多徑效應(yīng)帶來的誤差主要是由于環(huán)境障礙物的影響，會使A,B間的信號傳播會經(jīng)過反射，散射，衍射，而不是直線傳播，這就導(dǎo)致所測量的 A,B間的距離并非直 (，二 X 二"尸線距離，而是大大超過直線距離。在空曠的室外地區(qū)，系統(tǒng)誤差是影響測量精度的主要因素，在室內(nèi)或環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，非視距和多徑效應(yīng)是主

9、要因素。目前已有的消除非視距誤差的方法分為直接法和間接法。直接法是直接對測量值來處理，來消除誤差的。一般是基于先測量出本地區(qū)的非視距的統(tǒng)計特性，找出帶有誤差的測量值 與真實(shí)值之間的關(guān)系，再通過對測量值得預(yù)處理，將其恢復(fù)真實(shí)值。間接法是將消 除非視距誤差與定位過程相結(jié)合，通過設(shè)計定位算法，減小非視距在定位過程的影 響。一般間接法需要較多基站參與，由多種基站組合得到多種定位結(jié)果。然后根據(jù)精心整理一定的判定準(zhǔn)則，舍去由于非視距誤差而不準(zhǔn)確的結(jié)果，或者對所以定位結(jié)果加權(quán) 平均，加權(quán)系數(shù)與定位準(zhǔn)確度有關(guān)。3測距的花費(fèi)和能耗問題在TO三種測距方法中，TOAM量移動節(jié)點(diǎn) 站口主節(jié)點(diǎn)B間的距離，只需一次通信 即可，而TW需要發(fā)送兩次信號，SDS-TWR發(fā)送四次信號，很明顯TWRSDS-TWR 距所耗的能量較多，如果對于移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時定位的話，通信頻率會大大增加， TWE口