時間反演無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法研究

1、    時間反演無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法研究    薛峰 馮茜【摘要】 在有多徑的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如何提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位置未知節(jié)點(diǎn)的定位精度是一個需要研究的重要問題。本文針對此問題，研究了采用時間反演的方法提高具有多徑的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的節(jié)點(diǎn)定位精度。提出了時間反演節(jié)點(diǎn)定位（time reversal node location， trnl）策略，給出了trnl的實(shí)現(xiàn)過程，并以仿真的方式驗(yàn)證了trnl定位性能優(yōu)于未采用時間反演的節(jié)點(diǎn)定位性能?！娟P(guān)鍵詞】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 時間反演 節(jié)點(diǎn)定位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，wsn）獲

2、知每個節(jié)點(diǎn)的位置信息非常必要。由于每個wsn節(jié)點(diǎn)配置gps或其它定位裝置會帶來較高成本，因此目前主要的研究工作是利用wsn中少量已知位置的節(jié)點(diǎn)（稱為錨節(jié)點(diǎn)）來獲得其它位置未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。錨節(jié)點(diǎn)自身的位置可以通過gps或預(yù)先擺放固定等方式獲得，然后它將自身的位置信息廣播給其它位置未知節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間距離估算的越準(zhǔn)確，定位誤差就越小，而對于復(fù)雜環(huán)境下的無線信道來說，多徑是困擾這幾種定位方法距離估算準(zhǔn)確性的最大問題。位置未知節(jié)點(diǎn)除接收來自錨節(jié)點(diǎn)的信號外，還接收經(jīng)過一次或多次反射的信號。因此，位置未知節(jié)點(diǎn)得到的信號是直接波和反射波的合成信號。由于直接波與反射波的路徑不同，導(dǎo)致相位不同。同時，

3、兩種信號的幅度也不同，最終使合成信號的波形發(fā)生扭曲，從而使接收節(jié)點(diǎn)的絕對相位偏移量出現(xiàn)誤差，進(jìn)而影響了收發(fā)節(jié)點(diǎn)間距離線性組合值的精度以及節(jié)點(diǎn)位置信息的精度。因此，如何提高多徑環(huán)境下wsn節(jié)點(diǎn)的定位精度是一個很值得研究的問題。時間反演1（time reversal，tr）最早于1992年由m.fink提出，用于超聲波探測。該技術(shù)的基本原理是利用“一到多”和“多到一”的信道傳輸模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。經(jīng)過空間傳播后，各信號在同一時刻重新匯聚于信源，從而實(shí)現(xiàn)了信號的時間-空間聚焦，這種空時特征是對環(huán)境自適應(yīng)的，不需要任何的先驗(yàn)知識和被動控制，從而成為其廣泛應(yīng)用的巨大潛在優(yōu)勢1-5。一、trnl實(shí)現(xiàn)過

4、程首先假設(shè)某些無線傳感器節(jié)點(diǎn)配備有定位系統(tǒng)或者事先擺放在固定的位置，可以預(yù)先確定自己的位置，這些節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)。為了分析方便，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的關(guān)系都是在視線關(guān)系下。對于二維定位，可以采用三邊測量法獲知位置未知節(jié)點(diǎn)的位置，如圖 1所示。根據(jù)位置未知節(jié)點(diǎn)與3個錨節(jié)點(diǎn)的距離，即可確定該位置未知節(jié)點(diǎn)的位置。距離估計(jì)的越準(zhǔn)確，定位精度越高。需要說明的是，該方法至少需要3個錨節(jié)點(diǎn)才可以確定位置未知節(jié)點(diǎn)的位置。當(dāng)然，也可以多于3個錨節(jié)點(diǎn)，且錨節(jié)點(diǎn)越多，定位精度會越高。但是錨節(jié)點(diǎn)越多，會帶來越大的開銷，這是我們在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要考慮的一個問題。若要三維定位，則至少需要4個錨節(jié)點(diǎn)。在這里，我們以二維定位為例說明

5、如何利用時間反演實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位。第1步：位置未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求定位的探測信號p（t）。第2步：錨節(jié)點(diǎn)接收到探測信號后，延遲一段時間t，發(fā)送經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)后的信號r（t-t）。第3步：位置未知節(jié)點(diǎn)接收到經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)后的信號ptr（t）。第4步：位置未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)多個錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送回的經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)后的信號確定與錨節(jié)點(diǎn)間的距離，從而確定位置信息。二、仿真分析下面以仿真方式對比未采用時間反演的節(jié)點(diǎn)定位和trnl的節(jié)點(diǎn)定位性能。未采用時間反演的定位方法采用toa。仿真條件：200個錨節(jié)點(diǎn)和3000個位置未知節(jié)點(diǎn)均勻分布在1000m×1000m的方形區(qū)域。圖3是位置未知節(jié)點(diǎn)定位正確率隨著定位誤

6、差的變化曲線圖。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)定位誤差越大，節(jié)點(diǎn)定位正確率越高，而且采用時間反演節(jié)點(diǎn)定位正確率要高于未采用時間反演節(jié)點(diǎn)定位的正確率，這是因?yàn)椴捎脮r間反演削弱了多徑對定位精度的影響。當(dāng)定位誤差比較小時，時間反演節(jié)點(diǎn)定位正確率相對未采用時間反演的節(jié)點(diǎn)定位的正確率要高的多一點(diǎn)，隨著定位誤差的增大，時間反演節(jié)點(diǎn)定位正確率的優(yōu)勢不斷減小。這是因?yàn)楫?dāng)定位誤差比較小，采用措施抑制多徑對定位精度的影響后，對定位精度提高較多；定位誤差比較大，節(jié)點(diǎn)定位準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到比較高的程度，即使采用一些措施來抑制多徑，對定位精度的提高并不是很多。圖4是節(jié)點(diǎn)定位正確率隨著多徑條數(shù)的變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著多徑條數(shù)

7、的增多，節(jié)點(diǎn)定位正確率不斷下降。這是因?yàn)?，如果只有一條直達(dá)徑，若不考慮其它因素的影響，定位結(jié)果最為準(zhǔn)確，多徑條數(shù)越多，對節(jié)點(diǎn)定位準(zhǔn)確率影響越大。從圖中還可以看出，當(dāng)多徑條數(shù)越多，采取時間反演和未采取時間反演達(dá)到的節(jié)點(diǎn)定位正確率越接近。這是因?yàn)椋词共扇×艘欢ù胧┮种贫鄰綄Χㄎ痪鹊挠绊?，但?dāng)多徑條數(shù)較多時，也對定位精度提高的不是很多。結(jié)束語：本文研究了用時間反演方法削弱多徑對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位精度的影響的問題，給出了時間反演節(jié)點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)過程，并以仿真的方式驗(yàn)證了對于存在多徑的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用時間反演的節(jié)點(diǎn)定位性能優(yōu)于未采用時間反演的節(jié)點(diǎn)定位性能。但是，本文基于的假設(shè)是時間反轉(zhuǎn)波形與傳播信道

8、完全匹配的情況，對于實(shí)際的信道，有可能存在時間反轉(zhuǎn)波形與信道不匹配的情況，我們要進(jìn)一步研究存在此情況時對時間反演節(jié)點(diǎn)定位精度的影響程度以及應(yīng)對措施。另外，不同的探測信號對定位結(jié)果應(yīng)該是有影響的，到底怎樣的探測信號是最佳選擇，是又一個需要研究的問題。參 考 文 獻(xiàn)1 m.fink.time reversed acousticsj. physics today， 1997， 50（3）：33-40.2 r.c.qiu and z.hu. time reversed transmission with chirp signaling for uwb communications and its application in confined metal environmentsj， ieee international conference on ultra-wideband， 2007：276-281.3 p. kyritsi， g. papanicolaou， p. eggers， et al. miso time reversal