UWB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

1、uwb的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)在無數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)(wsn)應(yīng)用中，沒有節(jié)點(diǎn)位置信息的監(jiān)測(cè)往往毫無意義。當(dāng)監(jiān)測(cè)到大事發(fā)生時(shí)，關(guān)懷的一個(gè)重要問題就是該大事發(fā)生的位置，如森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，自然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)等。這些大事的發(fā)生，首先需要知道的就是自身的地理位置信息。定位信息除了用來報(bào)告大事發(fā)生的地點(diǎn)外，還可用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)、幫助路由以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼?。因此?jié)點(diǎn)定位問題已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)首要解決的問題。1 問題描述超寬帶(ultra widebanol，uwb)通信技術(shù)是一種以ns級(jí)的沖擊脈沖在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。這種通信技術(shù)具有隱蔽性好、穿透能力強(qiáng)、定位精度高以及功耗低等特

2、點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測(cè)距、定位應(yīng)用中，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用，并己經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際物資供給跟蹤定位中。uwb信號(hào)具有十分寬的帶寬，將其應(yīng)用于toa定位辦法有助于實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)距精度。然而，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境經(jīng)常浮現(xiàn)多徑干擾，此時(shí)uwb直達(dá)信號(hào)難以精確檢測(cè)。因而，本文提出了通過含糊規(guī)律技術(shù)對(duì)首次到達(dá)信號(hào)時(shí)光和最強(qiáng)信號(hào)時(shí)光舉行加權(quán)來得到直達(dá)信號(hào)到達(dá)時(shí)光的辦法，使得uwb在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中的應(yīng)用成為可能。2 toa距離估量辦法對(duì)于一個(gè)單路徑加性白噪聲(additive white gaussian noise，awgn)信道條件，可以利用toa測(cè)距的距離估量根均方差：其中，s(f)為發(fā)送的傳輸信號(hào)的

3、傅立葉變換。明顯，估量的根均方差同信號(hào)的rsnr和有效帶寬有關(guān)，rsnr和有效帶寬越大，估量的根均方差越小。因?yàn)閡wb信號(hào)帶寬十分寬，uwb無線信號(hào)應(yīng)用基于時(shí)光的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相對(duì)精確的定位。普通狀況下，toa定位辦法是利用檢測(cè)接收信號(hào)中的直達(dá)路徑的到達(dá)時(shí)光，來測(cè)量通信收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離。因此，對(duì)直達(dá)路徑信號(hào)到達(dá)時(shí)光的精確估量是至關(guān)重要的。本文所研究的節(jié)點(diǎn)定位辦法針對(duì)的是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。普通來說，通過檢測(cè)接收到信號(hào)的幅度是否最大來確定直達(dá)信號(hào)的到達(dá)時(shí)光，但是這種辦法在多徑條件下難以達(dá)到較高的測(cè)量精度。典型多徑環(huán)境下的uwb接收信號(hào)1所示。直達(dá)信號(hào)(direct path)并非首次到達(dá)信號(hào)(fi

4、rst path，與門限有關(guān))或幅度最強(qiáng)信號(hào)(strongest path)，因此在這種狀況下，用法首次到達(dá)信號(hào)或幅度最強(qiáng)信號(hào)的到達(dá)時(shí)光都不能精確估量放射端節(jié)點(diǎn)和接收端節(jié)點(diǎn)之間的距離。可以利用最大似然估量法檢測(cè)直達(dá)路徑信號(hào)的到達(dá)時(shí)光來計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，但在復(fù)雜多徑環(huán)境下簡(jiǎn)單造成信號(hào)波形的失真，因此有一定的實(shí)現(xiàn)難度。針對(duì)uwb直達(dá)信號(hào)難以精確檢測(cè)的特點(diǎn)，本文提出通過對(duì)首次到達(dá)信號(hào)時(shí)光和最強(qiáng)信號(hào)時(shí)光舉行加權(quán)來得到直達(dá)信號(hào)到達(dá)時(shí)光，其加權(quán)系數(shù)由含糊規(guī)律技術(shù)獲得。3 基于含糊規(guī)律的權(quán)值選取設(shè)uwb信號(hào)在t0時(shí)刻被發(fā)送，在接收端節(jié)點(diǎn)接收到的首次到達(dá)信號(hào)和幅度最強(qiáng)信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻分離為tf和ts，而

5、直達(dá)信號(hào)到達(dá)時(shí)刻通過下式計(jì)算：其中c=3108ms，為信號(hào)在自由空間的傳揚(yáng)速度。這里用法含糊規(guī)律技術(shù)來選取權(quán)值a。設(shè)首次到達(dá)信號(hào)和幅度最強(qiáng)信號(hào)的幅度分離為ef和es，并定義e=|ef|es|，tr=(tf- t0)(ts-t0)。er和tr為含糊規(guī)律函數(shù)的輸入，a為輸出。er、tr和a分離定義了低、中、高3個(gè)值。挑選a值的規(guī)章如表1所列。4 分析對(duì)測(cè)得的多徑環(huán)境下的uwb接收信號(hào)辦法的測(cè)距精度舉行驗(yàn)證，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)舉行定位。er，tr和a的隸屬函數(shù)2所示。取放射信號(hào)時(shí)刻t0=0，在接收端分離記錄下首次到達(dá)信號(hào)時(shí)刻tf，幅度最強(qiáng)信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻ts，首次到達(dá)信號(hào)幅度ef和幅度最強(qiáng)信號(hào)的幅度 es。分離計(jì)算出含糊規(guī)律的輸入值er、ts，按照隸屬函數(shù)，可以得到a。將tf、ts、a代入(3)式即可得到直達(dá)信號(hào)到達(dá)時(shí)刻t，進(jìn)而結(jié)合(4)式計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離。假設(shè)有三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)(0，0)、(10，0)、(10，10)，盲節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離分離為620、288、946，利用三邊測(cè)量法可以獲得節(jié)點(diǎn)的位置，如表