無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的TOF測距方法研究_圖文

1、2011年1月1日第34卷第1期現(xiàn)代電子技術(shù)M odern Electro nics T echniqueJan. 2011V ol. 34N o. 1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的TOF 測距方法研究常華偉1, 王福豹2, 嚴(yán)國強(qiáng)1, 黃 亮1(1. 西北工業(yè)大學(xué), 陜西西安 710072; 2. 西北工業(yè)大學(xué)寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所, 陜西西安 710072摘 要:在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 測量節(jié)點(diǎn)間的距離對節(jié)點(diǎn)定位非常關(guān)鍵。在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時, 節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)布撒的, 在沒有定位機(jī)制或者手工測量的情況下, 節(jié)點(diǎn)的位置信息不能預(yù)先知道。提出采用基于窄頻RF 的T OF 測距方法來估算兩個節(jié)點(diǎn)間的距離, 該方法性能

2、較好, 但它在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中尚未普遍應(yīng)用。采用Jennic JN 5148平臺在不同的室內(nèi)外環(huán)境中進(jìn)行T O F 測距的實驗。結(jié)果表明, 基于R F T O F 的測距方法在室外100m 處的測距精度為 4m, 在室內(nèi)10m 處的測距精度為 2m, 可以很好地滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的需要。關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 節(jié)點(diǎn); 定位; T O F 測距; JN5148中圖分類號:T N92 34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004 373X(2011 01 0035 04TOF Ranging Method for Wireless Sensor NetworksCH A NG Hua

3、 w ei 1, W AN G F u bao 2, Y AN Guo qiang 1, HU A N G L iang 1(1. N orthwest P olyt echnical University, Xi an 710072, China; 2. Institute of Broadband Netw ork, No rthwest P olyt echnical Universi t y, Xi an 710072, ChinaAbstract :T he rang ing betw een no bes is cr itical fo r t he no be positio n

4、ing in the w ir eless senso r netw or k. I n the deployment of w ir eless sensor netw orks (W SN s , nodes are r andomly dispensed, so the location info rmation of the node can not be o btained in advance. T he T OF (time of flight rang ing method based on narrow band RF is proposed to estimate the

5、distance between the two nodes. However, it is not widely used in the localization technolog y of WSN s. T OF ranging experiment was carried out with a Jennic5148platform in different environments. T he results show that the accur acy of the rang ing metho d based on RF T OF is 4m when the measuring

6、 distance is 100m outdoors, and 2m when the measuring distance is 10m indoors.Keywords :w ireless senso r netwo rk; nobe; localization; t ime of flig ht ranging ; JN 51480 引 言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由大量隨機(jī)分布的集成了傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元和電源單元的微小節(jié)點(diǎn)并通過自組織方式構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò), 其目的是借助于微小節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的各種傳感器來遠(yuǎn)程監(jiān)測所感興趣的目標(biāo)或?qū)ο? 以進(jìn)行任務(wù)感知、數(shù)據(jù)采集和處理1。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

7、技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了可能。但是隨之帶來的是網(wǎng)絡(luò)的可靠性降低了, 特別是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息不好確定, 對于大多數(shù)應(yīng)用來說, 不知道傳感器節(jié)點(diǎn)位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的, 節(jié)點(diǎn)的自定位功能被認(rèn)為是系統(tǒng)的基本功能之一。因此, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究非常重要, 并且已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。一般而言, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)分為基于距離的定位和非基于距離的定位?；诰嚯x的無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)一般分為兩個階段:首先是測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離; 然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離和現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法, 如三邊測量法等計算出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)的位置。因此,

8、節(jié)點(diǎn)測距技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于距離的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的基礎(chǔ)。本文通過研究國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀, 提出采用T OF 測距技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)測距, 從而提高基于距離的節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)的定位精度。1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的測距方法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 常用的測量節(jié)點(diǎn)間距離的方法主要有T OA(Time of Arrival , TDOA(Time Differ ence of Arrival 、超聲波、RSSI (Received Sig nal Strength Indicator 和TOF(Tim e of Light 等。TOA 和TDOA 測距技術(shù)都是通過信號的傳播時間和信號的速度兩個

9、參數(shù)來計算距離的, 無線信號傳輸速率大, 時間測量上很小的誤差就可能導(dǎo)致距離上很大的誤差, 并且TOA 需要昂貴的設(shè)備來保持時間同步, 能量消耗大。TOA 測距涉及到信號傳輸時間的測量, 以此來估算兩個節(jié)點(diǎn)間的距離。它能夠運(yùn)行在高多路徑環(huán)境, 并且提供分米級的測距精度2。超聲波測距方法是指當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的超聲波遇到障礙物時就會發(fā)生反射, 反射波可由接收器接收, 這隔t , 就能測距。因此, 超生波從發(fā)射處到障礙物之間的距離為c t /2(c 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。利用超聲波測距很精確, 測量誤差只有10cm , 但由于超聲波是一種聲波, 而聲速c 受環(huán)境溫度、濕度等因素的影響。另外,

10、測距時需要額外的硬件支持, 增加了節(jié)點(diǎn)的硬件成本和尺寸3。RSSI 是最基本的測距方法, 基本不需要額外的硬件設(shè)備, 實現(xiàn)方法簡單。在基于接收信號強(qiáng)度指示RSSI 的測距中, 已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度, 接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號強(qiáng)度計算出信號的傳播損耗, 利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)間的距離。其理論模型為:p (d =p (d 0 -10n lo g (d/d 0 (1式中:p (d 表示在距離d 處的信號強(qiáng)度; n 表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子, 范圍在24之間; p (d 0 表示在距離d 0處的信號強(qiáng)度; d 表示需要計算的節(jié)點(diǎn)與基站間的距離; d 0表示參考節(jié)點(diǎn)與基站

11、間的距離4。因傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有無線通信能力, 故它是一種低功率、廉價的測距技術(shù), RADAR 等項目中使用了該技術(shù)。雖然在實驗環(huán)境中RSSI 表現(xiàn)出良好的特性, 但是在實際環(huán)境中, 它易受溫度、無線信號的反射、障礙物(如陸地建筑物 、傳播模式等諸多因素的影響, 因此該技術(shù)在實際應(yīng)用中仍存在困難, 通常將其看作為一種粗糙的測距技術(shù), 有可能產(chǎn)生 50%的測距誤差5。TOF 測距技術(shù)可以理解為飛行時差測距(T im e ofFlig ht M easurem ent 方法, 傳統(tǒng)的測距技術(shù)分為雙向測距技術(shù)(Tw o Way Rang ing 和單向測距技術(shù)(One Way Rang ing 。T

12、 OF 測距方法屬于雙向測距技術(shù), 它主要利用信號在兩個異步收發(fā)機(jī)(T ransceiver 之間往返的飛行時間來測量節(jié)點(diǎn)間的距離。在信號電平比較好調(diào)制或在非視距視線環(huán)境下, 基于RSSI 測距方法估算的結(jié)果比較理想; 在視距視線環(huán)境下, 基于T OF 測距方法估算的結(jié)果比較理想, 是隨距離呈線性關(guān)系的6。因此, 基于TOF 距離估算方法能夠彌補(bǔ)基于RSSI 距離估算方法的不足。另外, 具體應(yīng)用時可以聯(lián)合使用兩種方法來提高定位系統(tǒng)的精確度。TOF 測距方法是D. M cCrady 提出的7, 然而該技術(shù)只側(cè)重于直接序列擴(kuò)頻(DSSS 的通信系統(tǒng)。接下來, M. Ciur ana 也對T OF

13、測距技術(shù)有所研究, 他首次在IEEE 802. 11b 的無線局域網(wǎng)中使用T OF 測距技術(shù)8 9, 然而需要額外的硬件幫助。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 也有許多學(xué)者對TOF 測距技術(shù)進(jìn)行了研究。然而, 他們側(cè)重于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中某個特殊的典型現(xiàn)場, 如可編程門陣列(FPGA 的實現(xiàn), 并且需要一個專 , IEEE 8021. 11(無線 網(wǎng)絡(luò)中10 11。在本文中, 考慮用窄帶射頻的T OF 測距方法及標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802. 11b 無線芯片來完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確估計點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離。2 TOF 測距方法原理在T OF 測距時, 本地節(jié)點(diǎn)A 向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)B 發(fā)送一個數(shù)據(jù)包, 當(dāng)B 節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時

14、, 會自動發(fā)送一個確認(rèn)來響應(yīng)這個數(shù)據(jù)包。執(zhí)行過程如圖1所示。圖1 T O F 測距過程A 節(jié)點(diǎn)測量出從發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)的時間, 這段消耗總時間記為T T OT 時間; B 記錄了B 從收到數(shù)據(jù)包到B 回應(yīng)確認(rèn)消息的這個時間段的時間, 記為T T AT 。用T TOT 總時間減去周轉(zhuǎn)時間T T AT 就是雙方的數(shù)據(jù)包在飛行中度過的往返時間, 記為T RTT 時間。假定在每個方向發(fā)生的飛行時間T TO F 等于50%的往返時間, 如式(2 所示:T T OF =T RTT /2=(T TOT -T T AT /2(2當(dāng)計算出T T OF 后, 根據(jù)D =T c(T 代表T TOF ; c 代表

15、光速, 為3! 108ms -1 可以計算出節(jié)點(diǎn)間的距離。TOF 測距方法有兩個關(guān)鍵的約束:一是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步; 二是接收設(shè)備提供信號的傳輸時間的長短。為了實現(xiàn)時鐘同步, TOF 測距方法采用了時鐘偏移量來解決時鐘同步問題。但由于T OF 測距方法的時間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn), 測距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時鐘偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響, 這里采用反向測量方法, 即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包, 本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包, 并自動響應(yīng), 通過平均在正向和反向所得的平均值, 減少對任何時鐘偏移量的影響, 從而減少測距誤差。3 TOF 測距實驗3. 1 實驗準(zhǔn)備實驗時, 采用了Jennic J

16、N5148 EK010開發(fā)平臺作為實驗平臺來完成TOF 測距試驗。JN5148通信模塊具有超低功耗、高性能, 完全兼容IEEE 802. 15. 4等特點(diǎn)。它集成了32b 的RSIC M CU 內(nèi)核、高性能的36現(xiàn)代電子技術(shù)2011年第34卷2. 4GH z IEEE 802. 15. 4收發(fā)器, 主要應(yīng)用在ZigBee PRO 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中12。Jennic 的JN5148無線微控制器包括一個硬件的飛行時間(TOF 引擎, 能夠測量2. 4GH z 的無線電信號在兩個節(jié)點(diǎn)之間的飛行時間。由于飛行時間與傳輸距離成正比, 故可以用來估算節(jié)點(diǎn)間的距離。3. 2 實驗描述選擇兩個JN 5148

17、節(jié)點(diǎn), 分別為A 節(jié)點(diǎn)和B 節(jié)點(diǎn)。A 節(jié)點(diǎn)作為Coordinator 節(jié)點(diǎn), B 節(jié)點(diǎn)作為EndDevice 節(jié)點(diǎn)。其中, B 節(jié)點(diǎn)通過串口與PC 機(jī)相連, 在PC 機(jī)通過串口調(diào)試軟件來查看相關(guān)信息; A 節(jié)點(diǎn)作為移動節(jié)點(diǎn), 用來改變節(jié)點(diǎn)間的實際距離。通過實際測量結(jié)果與TOF 測距結(jié)果的對比來驗證測距方法的有效性。根據(jù)不同的實驗環(huán)境和測試距離, 設(shè)計了4種類型的實驗, 分別為Line o f Sight(LOS , No Line of Sight (NLOS , Indoo r, 走廊等測距實驗。其中, LOS 表示視線可達(dá)的區(qū)域, 在一個無障礙的麥地進(jìn)行測試; NLOS 表示視線不可達(dá)的區(qū)

18、域, 在果園里進(jìn)行測試, 在兩個節(jié)點(diǎn)直線距離中間有建筑物、樹木等障礙物; Indoor 測距實驗被安排在實驗室進(jìn)行測試; 走廊實驗在某棟樓的走廊進(jìn)行測試, 障礙墻厚度為30cm, 走廊寬為3m, 長約30m 。3. 3 實驗結(jié)果為了減少測距的誤差, 采用多次測距求平均值的方法來估算距離。在10. 5m 的室內(nèi)測距實驗中, EndDe v ice 節(jié)點(diǎn)放在一個房間內(nèi), 而Coor dinator 節(jié)點(diǎn)放在走廊內(nèi), 中間隔著一堵墻, 測量結(jié)果如圖2所示, 測量60次(一個點(diǎn)3次, 共20個測量點(diǎn) 樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在1. 94m, 最大誤差距離為3. 55m 。在26m 的走廊測距實驗中, 測量6

19、0次樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在2. 01m, 最大誤差距離為5. 1m, 樣本數(shù)據(jù)如圖3所示。在100m 的LOS 測距試驗中, 測量60次樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在3. 62m, 最大誤差距離為11. 2m, 樣本數(shù)據(jù)如圖4所示。在100m 的NLOS 測距試驗中, 測量60次樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在4. 47m, 最大誤差距離為19. 6m, 樣本數(shù)據(jù)如圖5所示。實驗結(jié)果證明, TOF 的精度較高, 可以滿足WSN 定位技術(shù)的要求。 2 圖3 走廊測距樣本圖圖4 L OS 測距樣本圖圖5 NL O S 測距樣本圖4 結(jié) 論介紹了基于T OF 的節(jié)點(diǎn)測距技術(shù)。通過實驗證明, 用時鐘偏移量方法可以有效實現(xiàn)時間

20、同步, 用求正反方向的T OF 平均值的方法可以有效減少誤差。TOF 測距實驗在室內(nèi)、室外進(jìn)行了多種測試。實驗結(jié)果表明, 在10. 5m 的室內(nèi), 測量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在1. 94m ; 在26m 的走廊, 測量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在2. 01m; 在100m 的LOS, 測量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在3. 62m ; 在100m 的NLOS, 測量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在4. 47m 。上面的實驗數(shù)據(jù)顯示, 不同的實驗環(huán)境, 誤差大小也不同, 這主要受信號傳輸路徑的影響。因為在信號的傳播過程中, 由于受地面或水面反射和大氣折射的影響, 接收到的信號有可能不是單一路徑來的, 而是由許多路徑來的眾多反射波

21、合成的, 因此測量信號的傳輸時間就會有誤差, 從而影響估算距離的精確度。37第1期常華偉等:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的T OF 測距方法研究總之, 結(jié)果表明, T OF 是一種精確度較高的測距方法, 適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 能夠得到廣泛應(yīng)用。參 考 文 獻(xiàn)1K A RA L AR T C, R ABA EY Jan. A n RF T oF based rangingimplementat ion fo r sensor netw orks C/2006IEEE Inter natio nal Conference o n Communicat ions. Calif ornia, U SA:U niv

22、ersit y of Califor nia, Berkeley , 2006, 7:3347 3348. 2T H ORBJO RN SEN Bjo rn, WH IT E N M , BRO WN A ndrewD. RF based time o f flight r ang ing for W SNs D. U K:Schoo l o f Elect ronics and Computer Science, U niv ersity o f So ut hampton, 2006.3李茂山. 基于RSSI 測距分析J. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2007, 20(11 :2526 2527.4孫

23、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, 2005.5段渭軍, 王建剛, 王福豹. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)與算法的研究和發(fā)展J.信息與控制, 2006, 35(2 :240 241. 6WIBOW O Sigit Basuki, K L EPA L M art in, P ESCH Dir k.T ime o f flight rang ing using o ff the self IEEE 802. 11W iF i tag s R. Ir eland:Cent re fo r A daptiv e Wireless Sy stems, Departm

24、ent o f Electr onic Engineering. Co rk I nstit ute o fT echnolo gy , 2010.7M CCR ADY D, DOY L E L , FO RST RO M H , et al. M o bileranging using lo w accur acy clo cks J.I EEE T r ansactio ns on M icr ow ave T heo ry and T echniques, 2000, 48(6 :951 958.8CIU R AN A M , BARCEL O A RRO Y O F, IZQ U IE

25、RDO F.A r ang ing method with IEEE 802. 11data frames for indoo r localizat ion J. 2007IEEE W ireless Communications and N etw or king Conference.Ko wloo n:IEEE,2007:2092 2096.9G N T H ER A , H OEN E C. M easur ing r ound t rip times todeter mine the distance betw een WL A N no des J. N et wo rking,

26、 2005, 1:768 779.10KA RA L A R T C, R ABA EY J M. Implementatio n of alocalization system fo r senso r netw o rks D.U SA :EECS Depar tment, U niver sity o f Califo rnia, Berkeley, 2006. 11K A RA LA R T C, RA BEY J. A n RF T o F based rang ingim plementation for sensor netwo rks C/2006IEEE In ternati

27、o na l Conference o n Co mmunications. Istanbul:IEEE, 2006, 7:3347 3352. 12A no n.JN5148 001 M 0X ED/O L .2010 09 24.http:/bocon. com. cn/jennic/JN5148.作者簡介:常華偉 男, 1985年出生, 渭南富平人。主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫加密、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位等。王福豹 男, 1963年出生, 山西運(yùn)城人, 工學(xué)博士, 教授, 碩士和博士生生導(dǎo)師?，F(xiàn)任西北工業(yè)大學(xué)寬帶網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程教育技術(shù)研究所所長。主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、無線通

28、信網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字多媒體通信等的研究工作。(上接第34頁統(tǒng)中存在的一些結(jié)構(gòu)性和技術(shù)性的問題。參 考 文 獻(xiàn)1W U Chuan, LI Bao chun, ZH A O Shuqiao. Diag nosing netw or k w ide P2P live str eaming inefficiencies C /IEEE 2009Pro ceeding s o f IN FO CO M. R io de Janeiro:IEEE, 2009:2731 2735.2Z HA N G M eng , ZH A NG Qian, SU N L ifeng , et al. U nde

29、rstanding the pow er of pull based streaming pr otoco l:can w e do better J. IEEE Journal o n Selected A r eas in Co mmuni catio ns, 2007, 25(9 :1678 1694. 3SHA M I K haldoo n, M A GO N I Damien, CH A NG H yun seok, et al. I mpacts of peer character istics on P2PT V net w or ks scalability C/I EEE 2009P roceeding s o f I NF O CO M. R io de Janeir o:I EEE, 2009:2736 2740.4SIL V ERST O N T , FO U RM A