無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測(cè)距算法.doc

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測(cè)距算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)中節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位對(duì)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(cè)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，DV2Hop算法,APIT算法等,其特點(diǎn)是定位簡(jiǎn)單,對(duì)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(hào)飛行時(shí)間時(shí)間(TOF),基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA),基于到達(dá)角度(AOA)，基于信號(hào)接收強(qiáng)度(RSS的定位算法等等。通常來說,它

2、們對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件要求較高,能耗較大,但具有較高的定位精度?；跍y(cè)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)的位置，通過未知節(jié)點(diǎn)與三個(gè)或三個(gè)以上的錨節(jié)點(diǎn)距離信息，再根據(jù)三邊測(cè)量法或最大似然估計(jì)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(cè)量出未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離,本文主要分析TOF的測(cè)距方法。1測(cè)距算法基于信號(hào)飛行時(shí)間的測(cè)距算法有：到達(dá)時(shí)間法(TOA，timeofarrival)、雙方式法(TWR，towwayranging)、對(duì)稱雙邊雙方式法(SDS-TWR，symmetricdouble-sidedtwoway

3、ranging)等。1.1TOA算法一對(duì)裝有無線收發(fā)器的節(jié)點(diǎn)A、B可以通過電磁波信號(hào)從A傳播到B所用的時(shí)間來估算。圖1為到達(dá)時(shí)間法的信號(hào)傳播示意圖。設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A在雙方約定的時(shí)刻發(fā)出測(cè)距信息，節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送的信號(hào)中包含一個(gè)同步消息，告知節(jié)點(diǎn)B信號(hào)發(fā)送的時(shí)間T0，節(jié)點(diǎn)B接受信號(hào)的同時(shí)接收同步消息，并記錄接收時(shí)間T1，則信號(hào)飛行時(shí)間Tp=T1-T0。設(shè)電磁波在大氣中傳播速度為C(3),飛行時(shí)間為Tp,節(jié)點(diǎn)A與B的距離可以估算為S=CTpTOA測(cè)距的關(guān)鍵是節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B時(shí)間必須要嚴(yán)格同步。電磁波的速度為3m/s，如果雙側(cè)時(shí)鐘誤差為1n

4、s，測(cè)量距離誤差即為0.3m。如果要求測(cè)距誤差為1m，則允許雙側(cè)的時(shí)鐘誤差不超過3ns。BATp圖1TOA測(cè)距原理圖考慮到當(dāng)A到達(dá)T0時(shí)刻時(shí)，節(jié)點(diǎn)A將包含發(fā)送時(shí)刻T0的數(shù)據(jù)包調(diào)制到信號(hào)波上的時(shí)間為T，時(shí)間T為一個(gè)可測(cè)常量，故實(shí)際信號(hào)飛行時(shí)間Tp實(shí)=T1-T0-T實(shí)際距離S=CTp實(shí)。TOA的誤差主要來源于A，B節(jié)點(diǎn)時(shí)間不同步的誤差和B節(jié)點(diǎn)晶振頻率漂移導(dǎo)致計(jì)時(shí)時(shí)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(duì)的能耗和費(fèi)用就會(huì)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(shí)鐘脈

5、沖頻率為f，實(shí)際晶體因?yàn)橹圃旃に嚕h(huán)境溫度變化等因素影響下，頻率漂移為f，即實(shí)際頻率為=f+f其f為一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)量。則實(shí)際測(cè)量的時(shí)間為=t(1+)由此可知由于頻率漂移使得測(cè)量時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的誤差為t。1.2TWR算法圖2為TWR法的信息交換示意圖。節(jié)點(diǎn)A發(fā)出測(cè)距信息，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí),經(jīng)過Tp后節(jié)點(diǎn)B收到信息，但由于雙側(cè)時(shí)鐘不同步，節(jié)點(diǎn)B無法確認(rèn)Tp。節(jié)點(diǎn)B收到信息后立即啟動(dòng)計(jì)時(shí)，若收到的是本方的測(cè)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(shí)間設(shè)為T2)，節(jié)點(diǎn)A在(2Tp+T2)時(shí)間后收到應(yīng)答信息后終止本

6、輪計(jì)時(shí)。一輪測(cè)距所以往返時(shí)間為T1T1=2Tp+T2對(duì)于節(jié)點(diǎn)B，T2為可測(cè)常量，因此有飛行時(shí)間Tp=ABT2T1圖2TWR測(cè)距原理圖A與B間的距離S仍然是S=CTp。可以看出本方法不需要A,B間的時(shí)間同步，但是需要A,B分別使用本方的時(shí)鐘計(jì)時(shí)，若A,B兩側(cè)時(shí)鐘頻率有偏差，將會(huì)導(dǎo)致誤差，設(shè)A,B兩側(cè)晶體頻率的誤差為eA和eB(e=)，可以求得其導(dǎo)致的計(jì)時(shí)誤差為T=eATp+(eA-eB)T2由于A,B間信號(hào)飛行時(shí)間遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)包處理時(shí)間，故可以省去上式第一部分得到的誤差為T=(eA-eB)T21.3SDS-TWR算法為了避免雙方

7、式方法中A,B晶體頻率誤差引起的計(jì)時(shí)誤差，引入SDS-TWR算法。如圖3所示，A對(duì)B發(fā)起一輪TWR后，B再對(duì)A發(fā)起一輪TWR，由此可以看出信號(hào)飛行四次。T1,T3分別為A,B所計(jì)時(shí)的一輪測(cè)距所用往返時(shí)間，T2,T4為A,B處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，得到的單次飛行時(shí)間為Tp=(T1-T2+T3-T4)T2BT3T1AT4圖3SDS-TWR測(cè)距原理圖與TWR相比，此為兩次TWR法測(cè)距，一次由A發(fā)起，另一次由B發(fā)起，由B發(fā)起的測(cè)距，引起的計(jì)時(shí)誤差為=(eB-eA)T4所以兩次測(cè)距的總誤差為T總=(T+)=(eA-eB)(T2-T4)對(duì)比TO

8、A和TWR可以看出，SDS-TWR大大降低了由晶體震蕩頻率的漂移所引起的誤差。2測(cè)距誤差分析對(duì)于TOF的測(cè)距來說,距離測(cè)量誤差主要來源于系統(tǒng)誤差和非視距及多徑效應(yīng)。系統(tǒng)誤差主要是飛行時(shí)間的測(cè)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相比TOA和TW