無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測距算法(共6頁)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測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

2、具有較高的定位精度?；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的測距方法。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算法一對裝有無線收發(fā)器的節(jié)點(diǎn)A、B可以通

3、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)A在雙方約定的時刻發(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信號發(fā)送的時間T0，節(jié)點(diǎn)B接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。設(shè)電磁波在大氣中傳播速度為C( 3×108m/s ),飛行時間為Tp,節(jié)點(diǎn)A與B的距離可以估算為 S=C×TpTOA測距的關(guān)鍵是節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B時間必須要嚴(yán)格同步。電磁波的速度為3×108m/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1m，則允許雙側(cè)的時鐘誤差不超過3

4、ns。BA Tp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 Tp實(shí)=T1-T0-T 實(shí)際距離S=C×Tp實(shí)。TOA的誤差主要來源于A，B節(jié)點(diǎn)時間不同步的誤差和B節(jié)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)時鐘脈沖頻率為f，實(shí)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f，即實(shí)際頻率為 f，=f+f其f為一個隨時間變化的隨機(jī)量。則

5、實(shí)際測量的時間 t，為 t，=t(1+ff )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tff 。1.2 TWR算法圖2為TWR法的信息交換示意圖。節(jié)點(diǎn)A發(fā)出測距信息，同時啟動計時器計時,經(jīng)過Tp后節(jié)點(diǎn)B收到信息，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收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)A在(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+T2對于節(jié)點(diǎn)B，T2為可測常量，因此有飛行時間 Tp=T1-T22 AB T2 T1 圖2 TWR測距原理圖A與B間的距

6、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兩側(cè)晶體頻率的誤差為eA和eB(e=ff)，可以求得其導(dǎo)致的計時誤差為 T=eATp+ 12(eA-eB)T2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 T= 12(eA-eB)T21.3 SDS-TWR算法為了避免雙方式方法中A,B晶體頻率誤差引起的計時誤差，引入SDS-TWR算法。如圖3所示，A對B發(fā)起一輪TWR后，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

7、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= 14(T1-T2+T3-T4) T2 B T3 T1 A T4 圖3 SDS-TWR測距原理圖與TWR相比，此為兩次TWR法測距，一次由A發(fā)起，另一次由B發(fā)起，由B發(fā)起的測距，引起的計時誤差為 T，= 12(eB-eA)T4所以兩次測距的總誤差為 T總= 12( T+T，)= 14(eA-eB)(T2-T4)對比TOA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 測距誤差分析對于TOF的測距來說,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)。系統(tǒng)誤差主要是飛行時間的測量

8、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TWR夠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)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TOF三種測距方法中，TOA測量移動節(jié)點(diǎn)A和主節(jié)點(diǎn)B間的距離，只需一次通信即可，而TWR需要發(fā)送兩次信號，SDS-TWR需發(fā)送四次信號，很明顯TWR和SDS-TWR測距所耗的能量較多，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和SDS-TW