無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的TOF測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的TOF 測(cè)距方法研究常華偉1, 王福豹2, 嚴(yán)國(guó)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離對(duì)節(jié)點(diǎn)定位非常關(guān)鍵。在部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí), 節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)布撒的, 在沒(méi)有定位機(jī)制或者手工測(cè)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(cè)距方法來(lái)估算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離, 該方法性能

2、較好, 但它在無(wú)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(tái)在不同的室內(nèi)外環(huán)境中進(jìn)行T O F 測(cè)距的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明, 基于R F T O F 的測(cè)距方法在室外100m 處的測(cè)距精度為 4m, 在室內(nèi)10m 處的測(cè)距精度為 2m, 可以很好地滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的需要。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 節(jié)點(diǎn); 定位; T O F 測(cè)距; JN5148中圖分類號(hào):T N92 34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(wú)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(guò)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(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(wú)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(lái)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(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō), 不知道傳感器節(jié)點(diǎn)位置而感知的數(shù)據(jù)是沒(méi)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。一般而言, 無(wú)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。基于距離的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)一般分為兩個(gè)階段:首先是測(cè)量無(wú)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(cè)量法等計(jì)算出無(wú)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(cè)距技術(shù)是無(wú)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(guò)研究國(guó)內(nèi)外無(wú)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(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)距方法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 常用的測(cè)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(cè)距技術(shù)都是通過(guò)信號(hào)的傳播時(shí)間和信號(hào)的速度兩個(gè)

9、參數(shù)來(lái)計(jì)算距離的, 無(wú)線信號(hào)傳輸速率大, 時(shí)間測(cè)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(lái)保持時(shí)間同步, 能量消耗大。TOA 測(cè)距涉及到信號(hào)傳輸時(shí)間的測(cè)量, 以此來(lái)估算兩個(gè)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(jí)的測(cè)距精度2。超聲波測(cè)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(shí)就會(huì)發(fā)生反射, 反射波可由接收器接收, 這隔t , 就能測(cè)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(cè)距很精確, 測(cè)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(cè)距時(shí)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(cè)距方法, 基本不需要額外的硬件設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI 的測(cè)距中, 已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度, 接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗, 利用理論和經(jīng)驗(yàn)?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(hào)強(qiáng)度; n 表示路徑長(zhǎng)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(hào)強(qiáng)度; d 表示需要計(jì)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(wú)線通信能力, 故它是一種低功率、廉價(jià)的測(cè)距技術(shù), RADAR 等項(xiàng)目中使用了該技術(shù)。雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中RSSI 表現(xiàn)出良好的特性, 但是在實(shí)際環(huán)境中, 它易受溫度、無(wú)線信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中仍存在困難, 通常將其看作為一種粗糙的測(cè)距技術(shù), 有可能產(chǎn)生 50%的測(cè)距誤差5。TOF 測(cè)距技術(shù)可以理解為飛行時(shí)差測(cè)距(T im e ofFlig ht M easurem ent 方法, 傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)分為雙向測(cè)距技術(shù)(Tw o Way Rang ing 和單向測(cè)距技術(shù)(One Way Rang ing 。T

12、 OF 測(cè)距方法屬于雙向測(cè)距技術(shù), 它主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)(T ransceiver 之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。在信號(hào)電平比較好調(diào)制或在非視距視線環(huán)境下, 基于RSSI 測(cè)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(cè)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(shí)可以聯(lián)合使用兩種方法來(lái)提高定位系統(tǒng)的精確度。TOF 測(cè)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(lái), M. Ciur ana 也對(duì)T OF

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

14、, 會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)來(lái)響應(yīng)這個(gè)數(shù)據(jù)包。執(zhí)行過(guò)程如圖1所示。圖1 T O F 測(cè)距過(guò)程A 節(jié)點(diǎn)測(cè)量出從發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)的時(shí)間, 這段消耗總時(shí)間記為T T OT 時(shí)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(gè)時(shí)間段的時(shí)間, 記為T T AT 。用T TOT 總時(shí)間減去周轉(zhuǎn)時(shí)間T T AT 就是雙方的數(shù)據(jù)包在飛行中度過(guò)的往返時(shí)間, 記為T RTT 時(shí)間。假定在每個(gè)方向發(fā)生的飛行時(shí)間T TO F 等于50%的往返時(shí)間, 如式(2 所示:T T OF =T RTT /2=(T TOT -T T AT /2(2當(dāng)計(jì)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(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離。TOF 測(cè)距方法有兩個(gè)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(hào)的傳輸時(shí)間的長(zhǎng)短。為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步, TOF 測(cè)距方法采用了時(shí)鐘偏移量來(lái)解決時(shí)鐘同步問(wèn)題。但由于T OF 測(cè)距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn), 測(cè)距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響, 這里采用反向測(cè)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(dòng)響應(yīng), 通過(guò)平均在正向和反向所得的平均值, 減少對(duì)任何時(shí)鐘偏移量的影響, 從而減少測(cè)距誤差。3 TOF 測(cè)距實(shí)驗(yàn)3. 1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí), 采用了Jennic J

16、N5148 EK010開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)完成TOF 測(cè)距試驗(yàn)。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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中12。Jennic 的JN5148無(wú)線微控制器包括一個(gè)硬件的飛行時(shí)間(TOF 引擎, 能夠測(cè)量2. 4GH z 的無(wú)線電信號(hào)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的飛行時(shí)間。由于飛行時(shí)間與傳輸距離成正比, 故可以用來(lái)估算節(jié)點(diǎn)間的距離。3. 2 實(shí)驗(yàn)描述選擇兩個(gè)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(guò)串口與PC 機(jī)相連, 在PC 機(jī)通過(guò)串口調(diào)試軟件來(lái)查看相關(guān)信息; A 節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn), 用來(lái)改變節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離。通過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果與TOF 測(cè)距結(jié)果的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證測(cè)距方法的有效性。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試距離, 設(shè)計(jì)了4種類型的實(shí)驗(yàn), 分別為L(zhǎng)ine o f Sight(LOS , No Line of Sight (NLOS , Indoo r, 走廊等測(cè)距實(shí)驗(yàn)。其中, LOS 表示視線可達(dá)的區(qū)域, 在一個(gè)無(wú)障礙的麥地進(jìn)行測(cè)試; NLOS 表示視線不可達(dá)的區(qū)

18、域, 在果園里進(jìn)行測(cè)試, 在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)直線距離中間有建筑物、樹木等障礙物; Indoor 測(cè)距實(shí)驗(yàn)被安排在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試; 走廊實(shí)驗(yàn)在某棟樓的走廊進(jìn)行測(cè)試, 障礙墻厚度為30cm, 走廊寬為3m, 長(zhǎng)約30m 。3. 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了減少測(cè)距的誤差, 采用多次測(cè)距求平均值的方法來(lái)估算距離。在10. 5m 的室內(nèi)測(cè)距實(shí)驗(yàn)中, EndDe v ice 節(jié)點(diǎn)放在一個(gè)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(cè)量結(jié)果如圖2所示, 測(cè)量60次(一個(gè)點(diǎn)3次, 共20個(gè)測(cè)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(cè)距實(shí)驗(yàn)中, 測(cè)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(cè)距試驗(yàn)中, 測(cè)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(cè)距試驗(yàn)中, 測(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)距樣本圖圖4 L OS 測(cè)距樣本圖圖5 NL O S 測(cè)距樣本圖4 結(jié) 論介紹了基于T OF 的節(jié)點(diǎn)測(cè)距技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明, 用時(shí)鐘偏移量方法可以有效實(shí)現(xiàn)時(shí)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(cè)距實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)、室外進(jìn)行了多種測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在10. 5m 的室內(nèi), 測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在1. 94m ; 在26m 的走廊, 測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在2. 01m; 在100m 的LOS, 測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在3. 62m ; 在100m 的NLOS, 測(cè)量樣本數(shù)據(jù)的平均誤差在4. 47m 。上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示, 不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境, 誤差大小也不同, 這主要受信號(hào)傳輸路徑的影響。因?yàn)樵谛盘?hào)的傳播過(guò)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(hào)有可能不是單一路徑來(lái)的, 而是由許多路徑來(lái)的眾多反射波

21、合成的, 因此測(cè)量信號(hào)的傳輸時(shí)間就會(huì)有誤差, 從而影響估算距離的精確度。37第1期常華偉等:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的T OF 測(cè)距方法研究總之, 結(jié)果表明, T OF 是一種精確度較高的測(cè)距方法, 適用于無(wú)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

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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(jiǎn)介:常華偉 男, 1985年出生, 渭南富平人。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)加密、無(wú)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(zhǎng)。主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、無(wú)線通

28、信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)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(yè)統(tǒng)中存在的一些結(jié)構(gòu)性和技術(shù)性的問(wèn)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