基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)研究與實現(xiàn)

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)研究與實現(xiàn)姓名：俞建平申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：信號與信息處理指導(dǎo)教師：楊小牛;章堅武20230301杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文I摘要近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的研究熱點。從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用角度出發(fā)，傳感器節(jié)點位置信息的獲得是任何應(yīng)用的根底。在衛(wèi)星定位信號缺失或不宜采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)等場景下，本文研究一種特殊的基于MC-CDMA的傳感器節(jié)點用于提供位置參考功能。假設(shè)在傳感目標(biāo)區(qū)域中撒放大量普通傳感器節(jié)點和少量該類節(jié)點，在近距離錨節(jié)點缺乏的環(huán)境下，該類節(jié)點可以通過與其它具有MC-CDMA模塊的節(jié)點進(jìn)行遠(yuǎn)距離測距并實現(xiàn)高精度自身定位，然后升級為錨節(jié)點，進(jìn)而為該網(wǎng)絡(luò)的其他未知節(jié)點提供位置參考功能。以下是本文的主要工作：首先，本文在分析幾種測距手段的根底上，選擇了適合本文傳感器節(jié)點的基于擴頻碼的MC-CDMA測距技術(shù)用于距離測量，并介紹了實現(xiàn)測距的根本原理。并且針對影響測距的各種誤差因素進(jìn)行分析，重點考慮了非視距誤差的抑制問題，從基于代價和基于應(yīng)用時機兩種角度對非視距誤差的抑制算法進(jìn)行分類。其次，重點分析介紹了本文研究的基于TOA雙程測距的傳感器節(jié)點設(shè)計方案及具體工作流程。本傳感器節(jié)點分測距模塊和定位模塊兩局部，測距模塊由基于擴頻碼的MC-CDMA測距方案實現(xiàn)，本文主要從測距流程、精度控制等方面進(jìn)行闡述。而定位模塊的分析主要從硬件和軟件兩方面出發(fā)，本節(jié)點的硬件平臺是以S3C2440A微處理器為中央控制芯片的開發(fā)板為根底的，軟件是以裁剪后的嵌入式Linux操作系統(tǒng)為根底的。由于本節(jié)點的測距模塊和定位模塊之間是通過串口連接的，所以對串口的設(shè)置進(jìn)行了分析介紹。另外對定位的流程、發(fā)送的定位信息的格式等都進(jìn)行了相應(yīng)的介紹。最后，提出了一種適用于三維空間的節(jié)點定位算法。考慮到當(dāng)前多數(shù)定位研究都是基于二維空間的狀況，通過分析研究當(dāng)前基于三維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位技術(shù)，提出了基于球面坐標(biāo)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)三維靜態(tài)定位算法，該算法是在〔得知〕四點球面坐標(biāo)的基礎(chǔ)上通過求球心坐標(biāo)的方法實現(xiàn)定位的。在如何選擇適宜的四點問題上，本文提出了基于PIT方法進(jìn)行分析比較來獲得通信半徑內(nèi)的最正確四點來進(jìn)行定位計算。通過仿真實驗及性能分析，在鄰居節(jié)點密度滿足定位要求的情況下，相比于沒有采用PIT選擇方法的情況，該算法可獲得相對較高的定位精度。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多載波碼分多址，測距，非視距誤差，嵌入式系統(tǒng)，三維定位杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文IIABSTRACTInrecentyears,wirelesssensornetwork(WSN)hasbeenwidelyresearchedinthefieldofcommunications.FromthepracticalstandpointofWSN,thelocationinformationoftheWSNnodeisthefoundationofanyapplication.ThispaperfocusesontheparticularMC-CDMA-basedWSNnodestoprovidelocationreferencetootherunknownnodesinthesituationthatthesatellitelocationinformationismissedorthesatellitelocationsystemcan’tbeused.AssumingthatnumerousnormalsensornodesandfewMC-CDMAonesarecastinthesensingtargetarea,oncetheamountofcloseanchornodesisinsufficient,theMC-CDMAnodecanperformthefardistancerangingandthefunctionofaccurateself-locationwiththehelpofothernodeswhichisequippedwithMC-CDMAmodule.Afterthatitupgradestoananchornodeandcanprovidelocationreferencetootherunknownnodesinthisnetwork.Themainideasofthispaperareasfollowings:Firstofall,therangingalgorithmbasedonspreadspectrumcodeisprovidedwhichissuitableforthisranginglocationsystem,andthebasicprotocolofrangingisintroduced.ThedifferenterrorwhichhasinfluenceonrangingisalsoanalyzedandhowtocontroltheNLOSerrorisemphasized.ThentwowaysofclassifyingtheNLOScontrollingalgorithm,whichbasedoncostandapplicationoccasionrespectively,areintroducedandtheirowncomprehensiveapplicationisprovidedundertheguidanceoftheclassification.Secondly,theoveralldesignplanandtheconcreteworkflowofWSNnodebasedonTOAtwo-wayrangingisstressed.Thesensornodeiscomprisedoftwoparts,whicharerangingmoduleandlocationmodule.TherangingmoduleisimplementedusingMC-CDMArangingschemebasedonspreadspectrumcodeandthelocationmoduleisanalyzedfromtheviewpointsofhardwareandsoftware.ThehardwareplatformofthenodeisbuiltonthedevelopmentboardwithS3C2440AmicroprocessorasitscentercontrollingchipandthesoftwareisbasedonthesimplifiedembeddedLinuxoperatingsystem.Sincetherangingmoduleandthelocationmoduleareconnectedbyserialinterface,thesettingmethodofinterfaceisalsointroduced.Thelocationprocessandthelocationmessageformatarecorrespondinglystatedaswell.Atlast,anodelocationalgorithmsuitedforthree-dimensionspaceisproposed.Sincemostoftheexistinglocationschemesarebasedontwo-dimensionspace,theavailablelocationtechnologyofWSNnodesbasedonthree-dimensionspaceisstudied.Afterthatathree-dimensionstaticlocationalgorithmbasedonsphericalcoordinatesisproposed.Thisalgorithmmakesuseofwhichfoursphericalcoordinatesarealreadyknownandrealizeself-locationaccordingtocalculatingthe杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文IIIsphericalcentercoordinate.Accordingtotheproblemofhowtochoosethesuitablefoursphericalcoordinates,thispapercalculatesandrangestheoptimalfoursphericalcoordinatesintherangeofcommunicationradiusbyanalyzingandcomparinginthebaseofPIT.Thesimulationresultsandperformanceanalysisdemonstratethatwhenthedensityofneighbornodessatisfiesthelocationrequirements,thealgorithmcanachieverelativelyhighlocationprecisioncomparetothesituationthatdon’tusethePIT.Keywords:WirelessSensorNetwork,MC-CDMA,Ranging,NLOS,EmbeddedSystem,3DLocation學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要奉獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。申請學(xué)位論文與資料假設(shè)有不實之處，本人承當(dāng)一切相關(guān)責(zé)任。論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文使用授權(quán)說明本人完全了解杭州電子科技大學(xué)關(guān)于保存和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬杭州電子科技大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為杭州電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保存送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕蚓植績?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文?！脖Ｃ苷撐脑诮饷芎笞袷卮艘?guī)定〕論文作者簽名：日期：年月日指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1第1章緒論1.1研究背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)今在國際上被廣泛關(guān)注的熱點研究領(lǐng)域，它綜合了微電子系統(tǒng)〔Micro-ElectronMechanicalSystem，MEMS〕、傳感器采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及無線傳輸技術(shù)等[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在被隨機的布置以及自組網(wǎng)完成后可以通過數(shù)據(jù)的采集、環(huán)境的監(jiān)測為人們提供各種形式的效勞，能夠在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布范圍內(nèi)提供各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，比方濕度、酸堿度、溫度、PH值、光強度、噪聲強度等物理、化學(xué)信號以及環(huán)境變化，并對這些信息進(jìn)行處理，然后由會聚節(jié)點通過核心網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、交通、醫(yī)療、制造、反恐等許多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，人們的生產(chǎn)、生活方式會得到很大的改善，工作效率會得到不斷提高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被2003年2月份的美國《技術(shù)評論》評為最能影響改變未來人類生活的技術(shù)?？茖W(xué)家們認(rèn)為無線傳感器技術(shù)必將引發(fā)新的信息革命，2003年8月25日出版的美國《商業(yè)周刊》雜志預(yù)測未來全球的四大科技分別為效用計算、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、仿生人體器官以及塑料電子學(xué)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就在其中。我們可以預(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來的世界中必然會得到廣泛的應(yīng)用，必將帶給人類社會極大的變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種全新的信息獲取技術(shù)，如何更好地將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于實際當(dāng)中需要科技工作者解決許多具有挑戰(zhàn)性的課題，定位就是其中之一[2]。定位是大多數(shù)應(yīng)用，特別是軍事應(yīng)用的根底。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，沒有位置標(biāo)定的信息采集、處理和傳輸常常是沒有實際意義的。例如目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤、智能交通、物流管理等許多應(yīng)用都要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供自身的位置信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的定位機制與定位算法包括兩種情況：節(jié)點自身定位[3]和外部目標(biāo)定位，前者是后者的根底。無線傳感器節(jié)點在一般的應(yīng)用中通常將節(jié)點隨機部署在不同的環(huán)境中執(zhí)行各種監(jiān)測和跟蹤任務(wù)，節(jié)點之間以自組織方式相互協(xié)調(diào)工作從而形成一個網(wǎng)絡(luò)。能夠完成監(jiān)測及跟蹤任務(wù)前，傳感器節(jié)點必須首先知道自身的地理位置信息，也就是節(jié)點必須進(jìn)行自身定位，自身定位就是未知節(jié)點根據(jù)周圍或臨近的少數(shù)位置的節(jié)點，按照相應(yīng)的定位機制來確定自身的位置，這是進(jìn)一步采取措施和做出決策的根底；在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成自身定位后，就能對網(wǎng)絡(luò)外部的目標(biāo)進(jìn)行實時地監(jiān)測和跟蹤應(yīng)用了。因此，對節(jié)點自身如何定位進(jìn)行深入的研究和探討具有很高的理論和實際價值。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位概述1.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]，即通過將大量具有傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊的微小智能節(jié)點密集地散布在感知區(qū)域，節(jié)點間以自組織方式構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2看作能根據(jù)環(huán)境自主完成任務(wù)的智能系統(tǒng)。功能是以協(xié)作的方式來進(jìn)行感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知到得對象的信息，并將信息傳送到用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)在研究中通常分為硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)。從硬件角度來講，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價的傳感器節(jié)點組成，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標(biāo)的感知視場。傳感器節(jié)點將檢測到目標(biāo)的信號經(jīng)簡單處理后通過鄰近傳感器節(jié)點多跳傳輸?shù)綍酃?jié)點。用戶如果要進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用可以通過外部網(wǎng)絡(luò)，比方移動通信網(wǎng)絡(luò)或Internet，與會聚節(jié)點進(jìn)行交互通信。然后會聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)播送發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感器節(jié)點通過感知處理后返回目標(biāo)信息，其體系結(jié)構(gòu)如圖1.1。監(jiān)測區(qū)域會聚節(jié)點〔Sink〕衛(wèi)星通信Internet移動通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中心〔觀察者〕傳感器節(jié)點圖1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)從軟件角度看，雖然無線傳感器節(jié)點硬件簡單，可以直接在硬件上進(jìn)行軟件編程，但是在實際的工程實踐中程序員無法繼承現(xiàn)有的軟件成果，并且對硬件很了解才能進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用嵌入式操作系統(tǒng)來解決以上問題。目前比較著名的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)有TinyOS、MANTIS、MOS等，均有很強的網(wǎng)絡(luò)處理能力和資源收集能力，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。1.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的根本概念在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點定位機制是指根據(jù)有限的位置的信標(biāo)節(jié)點來確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的位置，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之間建立起來位置關(guān)聯(lián)的定位機制。針對不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布情況，節(jié)點定位的難度是不同的，一般我們考慮的是在二維空間情況下的定位，圖1.2為一般情況下的傳感器網(wǎng)絡(luò)中錨節(jié)點和未知節(jié)點的放置圖。錨節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所占的比例相對較少，它們可以通過自身攜帶的GPS定位系統(tǒng)[5]或者預(yù)先在指定位置部署等手段獲得自身的精確位置；而未知節(jié)點依靠有限的位置己知的信標(biāo)節(jié)點，通過測量未知節(jié)點至其余節(jié)點的距離或跳數(shù)，或者通過估計節(jié)點可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點間交換的信息和錨節(jié)點的位置，來確定自己的位置。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3錨節(jié)點〔參考節(jié)點〕未知節(jié)點〔位置待定節(jié)點〕圖1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點和未知節(jié)點下面是定位技術(shù)中涉及的根本術(shù)語介紹：到達(dá)時間〔TimeofArrival，TOA〕：信號從一個節(jié)點到另一個節(jié)點所需要的時間，稱為信號到達(dá)時間；到達(dá)時間差〔TimeDifferenceofArrival，TDOA〕：兩種不同傳播速度的信號〔超聲波信號、射頻信號〕從一個節(jié)點到另一個節(jié)點所需要的時間之差，稱為信號的到達(dá)時間差；到達(dá)角度〔AngleofArrival，AOA〕：節(jié)點接收到的信號相對于自身線的角度，稱為信號相對接收節(jié)點的到達(dá)角度；鄰居節(jié)點〔NeighborNodes〕：節(jié)點通信半徑內(nèi)的所有傳感器節(jié)點，稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點；跳數(shù)〔HopCount〕：兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)稱為兩個節(jié)點間的跳數(shù)；跳段距離〔HopDistance〕：兩個節(jié)點之間間隔的各跳段距離之和稱為該兩個節(jié)點間的跳段距離；根底措施〔Infrastructure〕：協(xié)助傳感器節(jié)點定位的自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等；視距〔LineofSight，LOS〕：兩個節(jié)點間沒有任何障礙物間隔，能夠直接通信，稱為兩個節(jié)點間存在視距關(guān)系；非視距〔NoLOS，NLOS〕：兩個節(jié)點之間存在障礙物；接收信號強度〔ReceivedSignalStrengthindicator，RSSI〕：節(jié)點接收到無線信號的強度大小，稱為接收信號強度。當(dāng)我們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的性能進(jìn)行評價時，主要從定位精度、規(guī)模、參考節(jié)點密度、節(jié)點密度、容錯性和自適應(yīng)性、功耗以及本錢等幾個指標(biāo)來評價該定位系統(tǒng)和算法的優(yōu)劣。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文41.2.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價值巨大，在世界各地各研究機構(gòu)、高校等對它的理論和應(yīng)用都進(jìn)行了深入的研究。比方美國在20世紀(jì)90年代就開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。美國國防高級研究方案局〔DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency〕和自然科學(xué)基金〔NSF，NationalScienceFoundation〕在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域都投入了巨資進(jìn)行研究，重點集中在傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議設(shè)計、信息處理和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等方面[6]。其中最著名的工程有：UCLA和RockwellAutomationCenter的合作工程WINS[7]〔WirelessIntegratedNetworkSensors〕；MIT的AMPSm[8]〔micro-AdaptiveMulti-domainPower-awareSensors〕項目；UCBerkeley等25個研究機構(gòu)共同承當(dāng)?shù)腟ensIT[9]〔SensorInformationTechnology〕工程；UCBerkeley的SmartDust[10]等。接著，DARPA的NEST、美國NSF的FIREBUG和CENS工程相繼啟動。在其他地區(qū)如日本、英國、意大利、巴西等國家也紛紛對傳感器網(wǎng)絡(luò)展開了研究工作。我國在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用的研究上也非常重視，清華大學(xué)、中科院軟件所、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院自動化所、中國人民大學(xué)等國內(nèi)一些高等院校和研究機構(gòu)均已展開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用的研究工作[11,12]。2006年，政府將開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列入未來15年的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要》。目前，國家973方案、國家自然科學(xué)基金和國家863高技術(shù)方案等國家和省部級科技開展“十一五〞規(guī)劃也設(shè)專項資助該領(lǐng)域的理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)研究。目前國內(nèi)研究重點主要集中在穿戴式計算、上下文感知環(huán)境、智能教室等領(lǐng)域，在支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究尚不多見。研究者們針對不同的環(huán)境要求等提出各種各樣的解決方案，在相對的條件下很多都能達(dá)到很好的效果，但真正的應(yīng)用還很少，而且一般條件限制都是很嚴(yán)格的。因此，該領(lǐng)域還有待更多的人提出更好的方法，以求解決定位問題，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更好發(fā)揮實際作用。1.3論文的工作及組織結(jié)構(gòu)節(jié)點自定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有很高的研究價值。本文系統(tǒng)分析了目前國內(nèi)外節(jié)點自定位算法的研究成果，對基于測距的定位算法進(jìn)行了深入的研究，并在此根底上研究了在嵌入式Linux環(huán)境下基于TOA雙程測距的定位功能的開發(fā)。本論文的主要內(nèi)容安排如下：第一章為緒論，主要闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的研究背景及意義，介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的根本理論，分析其目前國內(nèi)外的研究狀況，并介紹課題的主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。第二章介紹當(dāng)前典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法的分類，比照較常用的測距手段進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對基于測距的定位算法進(jìn)行深入的分析和介紹。第三章分析介紹基于MC-CDMA系統(tǒng)的雙程測距技術(shù)。首先介紹MC-CDMA系統(tǒng)的特點，然后給出了本文傳感器節(jié)點采用的基于擴頻碼的MC-CDMA測距技術(shù)，最后對影響TOA雙杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文5程測距的誤差因素進(jìn)行了分析總結(jié)，并且提出了NLOS的抑制方法。第四章分析介紹了本文提出的具有遠(yuǎn)距離測距能力的傳感器節(jié)點的設(shè)計方案，并介紹了整個系統(tǒng)的工作流程。首先從測距、定位兩個模塊分別展開介紹，測距模塊主要基于擴頻碼的MC-CDMA測距方案實現(xiàn)，主要從測距流程、精度控制等方面進(jìn)行闡述；而定位模塊的分析主要從硬件和軟件兩方面出發(fā)，本節(jié)點的硬件平臺是以S3C2440A微處理器為中央控制芯片的開發(fā)板為根底的，軟件是以裁剪后的嵌入式Linux操作系統(tǒng)為根底的。由于測距模塊和定位模塊通過串口連接，因此特別介紹了串口的設(shè)置，分析了定位的流程、定位信息的格式以及CRC校驗等并通過在誤差因素下定位精度的影響進(jìn)行仿真分析。考慮到當(dāng)前多數(shù)定位研究都是基于二維空間的狀況，在第五章中通過分析研究當(dāng)前基于三維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位技術(shù)，提出了基于球面坐標(biāo)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)三維靜態(tài)定位算法，該算法是在四點球面坐標(biāo)的根底上通過求球心坐標(biāo)的方法實現(xiàn)定位的。在如何選擇適宜的四點問題上，本文提出了基于PIT方法進(jìn)行分析比較來獲得通信半徑內(nèi)的最正確四點來進(jìn)行定位計算。使用MATLAB仿真工具，通過仿真實驗及性能分析，在有一定節(jié)點密度限制的情況下有相對較好的定位精度。第六章是總結(jié)和展望。對全文進(jìn)行總結(jié)，提出下一步的工作目標(biāo)。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6第2章傳感器網(wǎng)絡(luò)定位根本理論2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法分類到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的分類與方法很多，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的見解，通常將其劃分為：基于測距〔Range-Based〕和基于非測距〔Range-Free〕定位算法[13]，室內(nèi)定位系統(tǒng)Cricket[14]、AHLos〔Ad-HocLocalizationSystem〕算法、RADAR算法等都是基于測距的定位算法，質(zhì)心[15]〔CentroidAlgorithm〕、DV-Hop〔DistanceVector-Hop〕算法[16]、凸規(guī)劃〔ConvexOptimization〕算法[17]等基于非測距的定位算法；絕對定位與相對定位，大多數(shù)定位算法都屬于絕對定位，相對定位算法和系統(tǒng)有SPA〔self-positioningalgorithm〕、LPS〔localpositioningsystem〕等；細(xì)粒度定位算法和粗粒度定位算法，Cricket、AHLos、RADAR等算法屬于細(xì)粒度定位算法，而質(zhì)心、凸規(guī)劃等算法屬于粗粒度定位算法；集中式定位與分布式定位,分布式定位算法很多，如DV-Hop、質(zhì)心算法等，而凸規(guī)劃算法那么屬于集中式定位算法；遞增式的定位算法和并發(fā)式的定位算法；基于錨節(jié)點定位算法和不需錨節(jié)點的定位算法；物理定位系統(tǒng)和符號定位系統(tǒng)；緊密耦合定位算法和松散耦合定位算法等等。本文將重點介紹基于測距的定位研究。在下面幾節(jié)中重點介紹測距的幾種手段，并且針對各測距手段給出相應(yīng)的測距原理。2.2節(jié)點測距技術(shù)介紹2.2.1測距手段在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用來測量節(jié)點間距離或角度的常用技術(shù)，主要有基于RSSI[18]的、基于TOA[19]的、基于TDOA[20]的和基于AOA[21]的。測量接收信號強度〔RSSI，ReceivedSignalStrengthIndicator〕：節(jié)點發(fā)射信號強度，接收節(jié)點測量接收到該信號的信號強度RSSI，并計算傳播過程中的損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播衰減模型將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離。信號衰減模型用公式表示如下00nWWAFnW<CdP(d)=P(d)-10nlog()-CWAFnWCd′ì××í′3?(2.1)其中，P(d)[dBm]、P(d0)分別表示在距離基站d、d0處的信號強度，P(d)是接收節(jié)點實際測得的RSSI，P(d0)一般可以距天線d0米處的路徑衰減來代替，其典型值為P(1)=30dB；n為同層衰減指數(shù)，表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料，典型值為：辦公樓n=3.25，一般建筑n=2.76，商場n=2.18；nW表示節(jié)點和基站間墻壁個數(shù)；C表示信號穿過墻壁的閾值；WAF稱路徑損耗附加值，表示信號穿過墻壁或障礙物的衰減因子，依賴于建筑的結(jié)構(gòu)和使用的材料，典型值為：玻璃8dB，隔墻10-15dB，預(yù)制板20-30dB。由于傳感器節(jié)點具備通信能力，通信控制芯片通常會提供測量RSSI的方法，在參考節(jié)點杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文7播送自身坐標(biāo)的同時即可完成RSSI的測量，故而是一種低功率、低代價的測距技術(shù)。其誤差主要來源于信號實際傳播過程中環(huán)境影響造成的信號衰減于理論或經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒环?，從而帶來了實際建模的復(fù)雜性，如信號反射、多徑干擾〔multipathinterference)、NLOS、天線增益等。因此，基于RSSI的測距應(yīng)視為一種粗糙的測距技術(shù)，有可能產(chǎn)生土50%的測距誤差，一般只能適用于對誤差要求不高的場合。測量信號到達(dá)時間〔TOA，TimeOfArrival〕：信號傳播速度，通過測量信號在兩節(jié)點間的傳播時間得到距離。在TOA方法中，假設(shè)電波從參考節(jié)點到未知節(jié)點的傳播時間為t，電波傳播速度為c，那么參考節(jié)點到未知節(jié)點的距離為t×c。該技術(shù)的關(guān)鍵即為精確獲得節(jié)點間的傳播時間，對節(jié)點間的時間同步有很高的要求。同時對信號到達(dá)時間的估計也會受到非視距傳播〔Non-Line-Of-Sight，NLOS〕、多徑等因素的影響。測量其它信號與無線電信號到達(dá)時間差〔TDOA，TimeDifferenceOnArrival〕：TDOA測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方案中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在利用TDOA技術(shù)測量節(jié)點間距時與蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的移動臺定位和機器人導(dǎo)航定位不同。如圖2.1所示，一般是在節(jié)點上安裝超聲波收發(fā)器和RF收發(fā)器。測距時，在發(fā)射端兩種收發(fā)器同時發(fā)射信號，利用聲波與電磁波在空氣中傳播速度的巨大差異在接收端通過記錄兩種不同的信號〔常使用RF和超聲波信號〕到達(dá)時間差異，基于己知信號傳播速度，直接把時間轉(zhuǎn)化為距離。已有多種定位算法使用TDOA實現(xiàn)測距。該技術(shù)的測距精度較RSSI高，可到達(dá)厘米級，但受限于超聲波傳播距離有限〔超聲波信號通常傳播距離僅為3米，因而網(wǎng)絡(luò)需要密集部署〕和NLOS對超聲波信號的傳播影響。AB源節(jié)點接收節(jié)點()1TrssrrsvvdTTvv=---rT1TTsrTT射頻信號聲波信號圖2.1TDOA測距技術(shù)示意圖測量信號到達(dá)角〔AOA，AngleofArrival〕：這是一種估算鄰居節(jié)點發(fā)送信號方向的技術(shù)，可以通過天線陣列或多個接收器結(jié)合來實現(xiàn)，除定位外，還能提供節(jié)點的方向信息，如MIT的Cricket等工程中就利用多個接收器提出了基于AOA的硬件解決方案，其原型系統(tǒng)可在±40o角內(nèi)以±5o的誤差確定接收信號的方向。同樣，AOA技術(shù)也受外界環(huán)境影響，如噪聲、NLOS問題等都會對測量結(jié)果產(chǎn)生不同影響。同時，AOA需要額外硬件〔陣列天線等〕。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文82.2.2測距原理基于TOA測距的方法有兩種。一種是單程測距，即參考節(jié)點向未知節(jié)點發(fā)射測距信號，同時記錄下信號發(fā)射時間，未知節(jié)點接收到測距信號后記錄下信號的到達(dá)時間，以到達(dá)時間減去發(fā)射時間即可獲得傳播時間估計；另一種實現(xiàn)方法為雙程測距，需要信號往返傳播后，通過計算獲得傳播時間的估計。兩種方法中，單程測距要求參與測距的兩個節(jié)點時鐘精確對準(zhǔn)，雙程測距雖然相對更復(fù)雜一點，但在各節(jié)點不能保證時鐘對準(zhǔn)的情況下更加適用。雙程測距的根本原理如下：BA時間時間0tt+0tD++t0ttt+D++0t圖2.2雙程測距原理如圖2.2為測量過程的示意圖。由未知節(jié)點A向參考節(jié)點B發(fā)送測距信號，并同時記錄下最初的發(fā)送時間0t。節(jié)點B接收到信號后，只需標(biāo)記信號的到達(dá)時間，由于此時節(jié)點A和節(jié)點B之間存在傳輸時延t，故節(jié)點B記錄下的時間是t+0t。然后節(jié)點B對收到的信號進(jìn)行相關(guān)的處理，處理時延不大于系統(tǒng)給定的時延D，然后將處理后的信號發(fā)回給節(jié)點A。節(jié)點A最終接收到的信號時間為D+++tt0t，由節(jié)點A的最初發(fā)送時刻0t、最終接收時刻1t及固定時延D，可得出傳輸時延：201D--=ttt(2.2)其中，D+++=tt01tt。信號的傳輸速度〔電磁波速度8c310=′m/s〕，只要將速度c乘上傳輸時延t就可得到A與B之間的距離，從而完成整個測距過程。2.3節(jié)點位置的計算方法傳感器節(jié)點進(jìn)行自身定位計算過程中，未知節(jié)點在獲得鄰居錨節(jié)點的位置信息后，還需要獲得相對鄰近錨節(jié)點距離或者鄰近錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的相對角度后，通常使用以下幾種常用的方法來計算自身位置，當(dāng)未知節(jié)點分別測得與三個錨節(jié)點間的距離后就可以采用三邊測量法，當(dāng)測得的距離個數(shù)大于三個那么可以采用極大似然估計法，當(dāng)測得三組角度，即其杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文9中兩個錨節(jié)點信號到達(dá)未知節(jié)點的夾角后采用三角測量法。以下是三種定位算法的具體介紹。2.3.1三邊測量法三邊測量法〔Trilateration〕是一種常用的目標(biāo)定位方法。它是一種基于幾何計算的定位算法，原理示意如圖2.3所示，N1、N2、N3三個錨節(jié)點的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，未知節(jié)點O與此三點的距離分別為d1，d2，d3，假設(shè)節(jié)點O的坐標(biāo)為(x,y)。N1N2N3O圖2.3三邊測量法示意圖根據(jù)兩點坐標(biāo)求它們之間的距離，可以得到以下方程組：()()()()()()221112222222333xxyydxxyydxxyydì-+-=??-+-=í??-+-=?(2.3)由上式可以得到節(jié)點O的坐標(biāo)為：1222222131313133122222223232323322()2()2()2()xxyyxxyyddxyxxyyxxyydd-éù---+-+-éùéù=êúêúêú---+-+-êú??????(2.4)2.3.2三角測量法三角測量法〔Triangulation〕也稱為信號到達(dá)角度〔AOA〕定位法或方位測量定位法。它的原理如圖2.4所示，三個節(jié)點N1、N2、N3的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，節(jié)點P相對于節(jié)點N1、N2、N3可以得到三個以點P為頂角的角度分別為：12NPND、13NPND和23NPND，可以設(shè)節(jié)點P的坐標(biāo)為(x,y)。N1(x1,y1)N2(x2,y2)N3(x3,y3)P(x,y)O1(xo1,yo1)圖2.4三角測量法示意圖對于節(jié)點N1、N3和角13NPND，如果弧段N1N3在?N1N2N3內(nèi)，那么能夠惟一確定一杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文10個圓，設(shè)圓心為111(,)ooOxy，半徑為1r，那么()1131322NONNPNap=D=-D，并存在以下公式：()()()()()()11111122221122cosoaoaococacacxxyyrxxyyrxxyyrraì-+-=??-+-=í?-+-=-??(2.5)由上式能確定圓心O1點的坐標(biāo)和半徑1r。同理對N1，N2，12NPND和N2，N3，23NPND分別確定相應(yīng)的圓心222(,)ooOxy、半徑為2r、圓心333(,)ooOxy和半徑3r。最后利用三邊測量法，由點P(,)xy、111(,)ooOxy、222(,)ooOxy和333(,)ooOxy確定P點坐標(biāo)。2.3.3極大似然估計法極大似然估計法〔MaximunLikelihoodEstimation〕原理類似三邊測量法，三邊測量法是極大似然估計法的特例，原理如圖2.5所示。假設(shè)未知節(jié)點的坐標(biāo)為(x,y)，在未知節(jié)點周圍的n個錨節(jié)點的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)…(xn,yn)，該未知節(jié)點到各個錨節(jié)點的距離分別為d1，d2，d3…dn。23n41...圖2.5極大似然估計法示意圖根據(jù)兩點坐標(biāo)求它們之間的距離，存在以下方程組：222111222222222()()()()...()()nnndxxyydxxyydxxyyì=-+-?=-+-?í??=-+-?(2.6)將方程組的第一個至第n-1個方程式分別減去最后一個方程式，得：()()()22222211111222222222222222221111122()22()...22()nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnddxxxxxyyyyyddxxxxxyyyyyddxxxxxyyyyy-----ì-=-------?-=-------?í??-=-------?(2.7)上式的線性方程可以表示成方式：AX=b，其中：杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文11()()()()()()2222221111122222222222222222111112222.........22nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnxxyyxxyyddxxyyxxxyyddAbXyxxyyxxyydd-------éùéù-+-+-êúêú---+-+-éùêúêú===êúêúêú??êúêúêúêú---+-+-????，，(2.8)使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計方法可得到未知節(jié)點的坐標(biāo)為：1()TTXAAAbù-=。2.4本章小結(jié)本章首先介紹了當(dāng)前流行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位算法的分類，接著分析研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的測距技術(shù)并且針對不同的測距技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)缺點分析；然后重點介紹了TOA雙程測距技術(shù)；最后介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置的較為通用的計算方法。本文設(shè)計的特殊的傳感器節(jié)點采用基于TOA雙程測距的定位技術(shù)，其中節(jié)點位置計算將采用上文提到的極大似然估計法。在下面三、四章節(jié)主要介紹基于MC-CDMA的測距技術(shù)以及傳感器節(jié)點的設(shè)計方案。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文12第3章基于MC-CDMA的測距技術(shù)通過信號傳遞實現(xiàn)距離的測量總是在通信系統(tǒng)的底層完成的。如果要獲得高精度的距離測量值，就必須根據(jù)具體物理層的特性進(jìn)行相關(guān)的研究。本章即在了解MC-CDMA系統(tǒng)原理的根底上對測距算法進(jìn)行相應(yīng)的介紹，對影響測距的誤差因素進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的抑制方法。3.1MC-CDMA原理MC-CDMA作為最早提出的多載波CDMA方案[22,23]，是由美國的Linnartz、Yee、Fettweis和德國的Fazel、Papke在日本Yokohama舉行的PIMRC會議上，各自獨立提出來的。前者提出在接收端采用相關(guān)接收和可變增益因子的合并[24]，后者采用的是最大似然檢測技術(shù)[25]。MC-CDMA系統(tǒng)采用頻域擴頻的方式。其根本過程是：每個信息符號由一個特定的擴頻碼片進(jìn)行擴頻，然后將擴頻以后的每個符號調(diào)制到一個子載波上，因此，假設(shè)擴頻碼的長度為N，那么對應(yīng)的這N個子載波傳輸?shù)氖窍嗤男畔?shù)據(jù)。圖3.1是MC-CDMA實現(xiàn)的根本原理圖。][kai表示第i個用戶的輸入數(shù)據(jù)序列中的一個調(diào)制符號，},,{1,1,0,-×××Niiiccc是與第i個用戶對應(yīng)的長度為N的擴頻碼，},,{110-×××Nfff是一組正交的子載波集，其頻譜互相重疊。???????][kai0,ic1,ic1,-Nictf02cosptf12cosptfN12cos-p)(tsi圖3.1MC-CDMA根本原理圖杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文13?0,ic1,-Nic串/并變換IDFT或IFFT加保護(hù)間隔并/串變換復(fù)制模塊1??0,ic1,-Nic復(fù)制模塊Nc/N?)(tsi用戶i數(shù)據(jù)圖3.2MC-CDMA發(fā)射機模型在多載波通信中，原始輸入數(shù)據(jù)的速率很高，經(jīng)過串/并變換，每個數(shù)據(jù)符號的周期變長，不易受到頻率選擇性衰落的影響，因此每個子載波可認(rèn)為是經(jīng)過了一個頻率非選擇性衰落信道，同時每個數(shù)據(jù)周期變長，更容易實現(xiàn)同步。對于第i個用戶，首先要將輸入的數(shù)據(jù)序列串/并變換為NNc/路，這NNc/路輸出的數(shù)據(jù)可以表示為{})(),(),(/10kakakaiNNiic×××，)(kain為第n路上的第k個信息比特。每路的輸出分別進(jìn)入對應(yīng)的復(fù)制模塊復(fù)制為N路相同的數(shù)據(jù)〔N為擴頻碼長度〕，然后每N路相同的數(shù)據(jù)與長度為N的擴頻碼相乘完成頻域擴頻。擴頻后的cN路數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換，然后插入保護(hù)間隔，再進(jìn)行并/串變換后經(jīng)過成形濾波器由射頻單元發(fā)射出去。如圖3.2為發(fā)射機模型，發(fā)射信號頻譜如圖3.3。0f1-Nf2f1f頻率圖3.3MC-CDMA發(fā)射信號頻譜接收機端的信號進(jìn)行與發(fā)射端相反的一系列操作，串/并變換，去保護(hù)間隔，F(xiàn)FT變換。在FFT變換之后要通過信道估計獲取信道信息從而完成以后的合并。在進(jìn)入合并模塊前，用第i個用戶每路子載波的接收信號乘以增益因子完成信道均衡和信號解擴，因此增益因子不但包含信道信息，還有擴頻碼信息。合并模塊是將傳輸相同信息的子載波數(shù)據(jù)線性疊加，送入解調(diào)器進(jìn)行判決，最后恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。接收機模型如圖3.4所示。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文14?并/串變換DFT或FFT去保護(hù)間隔串/并變換合并模塊1??合并模塊Nc/N?)(tri用戶i數(shù)據(jù))0(G)1(-NG)1(-cNG)(NNGc-圖3.4MC-CDMA接收機模型由上文可以看出MC-CDMA技術(shù)也可以理解為用戶信號經(jīng)過擴頻后再進(jìn)行OFDM調(diào)制，這樣實際傳送的就是一種經(jīng)過特別加工的OFDM信號，但兩者間也有明顯的區(qū)別：(1)使用子載波的方式不同。在MC-CDMA系統(tǒng)中，一個信息符號要用很多個子載波進(jìn)行傳送，子載波一般不可能都處于深度衰落的狀態(tài)，所以不需要采用糾錯碼，并且又具有頻率分集的效果。而在OFDM系統(tǒng)中，不同的子載波攜帶不同的信息符號，為了防止出現(xiàn)某個子載波深度衰落使得接收端難以恢復(fù)的情況，必須在一幀內(nèi)使用糾錯碼保護(hù)。這就要求子載波的個數(shù)能提供編碼所需的冗余量；(2)MC-CDMA系統(tǒng)中存在兩種正交性。不僅子載波間和OFDM系統(tǒng)一樣相互正交，而且不同用戶的擴頻碼〔PN碼〕之間也相互正交。子載波頻率之間的正交性保證了系統(tǒng)的高頻率效率，不同用戶PN碼的正交性那么可以保證多個用戶能夠共同使用系統(tǒng)的頻率資源，也可以提高頻譜效率。所以從理論上來說，MC-CDMA具有比OFDM更高的頻譜效率。3.2基于擴頻碼的MC-CDMA的測距算法測距結(jié)果精度的最有效最直接的方法就是盡可能提高信號到達(dá)時刻檢測的精度。只要可以精確的檢測到信號的到達(dá)時刻，記錄下每個時間點的精確數(shù)值，在計算時就可以獲得高精度的結(jié)果。測距算法的關(guān)鍵是精確把握住信號到達(dá)的臨界時刻，并將時間記錄下來。問題在于如何將信號處理或計算，以將該時刻盡可能突出的顯示出來。通過分析可以得到，能夠參與累加的信號長度決定了度量值峰值能夠到達(dá)的高度，對峰值周邊度量值的抑制能力決定了算法抵抗噪聲影響的能力。這兩個因素決定了一個測距算法的性能。3.2.1測距算法分析現(xiàn)有的算法大體可以分為三類：基于能量檢測的算法，基于循環(huán)前綴的算法和基于導(dǎo)頻的算法。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文15基于能量檢測的算法，由于使用的是普通的信息符號，檢測時，在整個檢測區(qū)間內(nèi)，相鄰度量值變化不大，峰值突起不明顯。雖然實現(xiàn)簡單，但受到干擾的可能很大，性能較差，要獲得滿意的性能需要相當(dāng)高的信噪比?；谘h(huán)前綴的算法所能做到的是盡可能將兩個循環(huán)前綴長樣值的相關(guān)性集中表現(xiàn)出來，表現(xiàn)程度的好壞表達(dá)在判決準(zhǔn)那么的不同。但無論準(zhǔn)那么如何變化，循環(huán)前綴本身仍然是普通信息符號節(jié)選出來的，不能有效的壓低峰值周圍的度量值，而且即使能將所有樣值在峰值處集中表現(xiàn)出來，也只能表現(xiàn)兩個循環(huán)前綴長的樣值?，F(xiàn)有的基于導(dǎo)頻的算法大都是將導(dǎo)頻構(gòu)建成兩個相對立同時相關(guān)聯(lián)的局部，然后在接收端通過對兩局部的運算，將整個信號的樣值盡可能的集中表現(xiàn)出來。該類算法的極限即是不斷的改良導(dǎo)頻信號的構(gòu)造，以在接收端產(chǎn)生一個能夠集中表現(xiàn)整個導(dǎo)頻信號樣值的峰值，同時壓低峰值周圍的度量值。該類算法雖然是以降低傳輸效率為代價，但性能要優(yōu)于前兩類算法。原因在于可以集中的樣值要多于前兩類算法，同時還可以通過調(diào)整導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)優(yōu)化度量值峰值的突出效果。從各類測距算法可以看出，一直以來的努力方向就是在該時刻累加盡可能大的峰值，同時在其周圍將度量值盡可能的降低。擴頻碼具有優(yōu)良的自相關(guān)和互相關(guān)特性，能夠產(chǎn)生脈沖形狀峰值，恰是完成時間檢測的最正確手段。因此本文節(jié)點測距選擇了基于擴頻碼的測距算法[26]，利用IFFT之后的擴頻碼作為導(dǎo)頻進(jìn)行測距運算。該算法本質(zhì)上來說仍然是基于導(dǎo)頻的測距算法，但充分利用了MC-CDMA信號中擴頻碼的頻域特性，同時在接收端預(yù)留測距碼模板，使度量值峰值可以集中兩個信號長度的樣值。3.2.2算法原理將長度為mN的MC-CDMA系統(tǒng)擴頻碼)(ns做IFFT變換之后作為導(dǎo)頻，用來實現(xiàn)測距功能。設(shè)接收信號序列為)(kR，)(kR為)(ns的IFFT：?-==102)(1)(mmpmNnNkniensNkR(3.1))(nc為擴頻序列，其mN點IFFT為)(kC，是接收端的預(yù)留模板：?-==102)(1)(mmpmNnNkniencNkC(3.2)設(shè))()()(ncnlsnx+=，10-￡￡mNn，l為接收信號相對于本地信號的時延，那么相關(guān)值可以表示為：??-=-=+==1010)()()()(mmNnNnncnlsnxlP(3.3)對于CDMA系統(tǒng)，在碼捕獲時利用擴頻序列良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，將接收序列與本地序列作相關(guān)運算得到相關(guān)峰作為判決標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，在MC-CDMA系統(tǒng)中發(fā)射機直接杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文16采用擴頻碼序列的IFFT作為導(dǎo)頻，可利用擴頻碼的相關(guān)性進(jìn)行幀捕獲以實現(xiàn)時間檢測。設(shè))(mX為接收的導(dǎo)頻序列)(kR與本地序列)(kC的循環(huán)卷積：)()()(kCkRmX?=(3.4)由時域與頻域的關(guān)系可知，)()(nxmXFFTIFFT?，10-￡￡mNm，10-￡￡mNn，那么：??-=-===102102)()(1)(1)(mmmmpmpmNnNmniNnNmniencnsNenxNmX(3.5)在上式中，令0=m那么得到：?-==10)()(1)0(mmNnncnsNX(3.6))0(X即為擴頻碼相關(guān)值，可表達(dá)擴頻碼的自相關(guān)與互相關(guān)特性。根據(jù)以上推導(dǎo)，測距算法可以描述為：將接收序列)(kR與本地模板序列)(kC作長度為mN的卷積運算，在這里只計算第一項)0(X，)0(X即為發(fā)送擴頻碼與接收機本地擴頻碼的相關(guān)值)(nx，將)0(X與門限比較，當(dāng)接收序列和擴頻序列相位對齊，那么得到相關(guān)峰值。其度量值表達(dá)式為：?-=+-++==11)()()0()()0()(mmNmdNmCmdRCdRXdP(3.7)實現(xiàn)流程如圖3.6所示。求和判決?Z)0(C)1(-mNC)1(C?接收信號ZZ?>門限<門限圖3.6算法實現(xiàn)示意圖利用此原理，可以在接收信號做FFT之前最短的時間內(nèi)實現(xiàn)捕獲，獲得信號傳輸時延，得到測距估計。考慮到擴頻處理增益，該捕獲算法可在低信噪比下，保持良好的捕獲性能。但是即使將測距信號精確捕獲，測距誤差也只能控制在一個采樣間隔以內(nèi)。比方碼片速率60Mbps，那么由這局部產(chǎn)生的測距偏差在5.21060210368=′′′m內(nèi)。還可以考慮增加對接收信號的采樣率和對接收信號的采樣值進(jìn)行內(nèi)插，進(jìn)一步提高測距精度。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文173.3影響測距的誤差抑制對定位精度產(chǎn)生影響的因素有很多，對于本文中采用的基于TOA雙程測距方案來說，影響較大的有以下幾個方面：(1)測距值誤差。測距值會直接代入算法進(jìn)行計算，其誤差必然會對定位的估計精度產(chǎn)生影響。測距值誤差應(yīng)該分為兩個局部，一局部是非視距誤差，這種誤差受環(huán)境因素影響很大，而且無法通過改良測距機制消除或抑制其影響，在下文中會進(jìn)行專門論述；另一局部是測距誤差，即在測距過程中產(chǎn)生或可以抑制的誤差。影響測距誤差的因素同樣有很多，最主要的還是測距算法問題，精確的進(jìn)行時間檢測才有可能獲得高精度的測距結(jié)果。多徑和多址問題造成的誤差同樣可以通過測距算法的調(diào)整來抑制，所以也歸入此類誤差。此外，測距時使用的記數(shù)器的最低有效位及信號在內(nèi)部傳輸路徑的時延估計也會對測距精度產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊?。一般情況下，由未知節(jié)點與參考節(jié)點間晶體振蕩器的頻率偏差產(chǎn)生的影響是可以忽略的，但一些特別的情況下，也是需要考慮在內(nèi)的。(2)測距次數(shù)。在不變的環(huán)境下進(jìn)行屢次測距，然后對測距值進(jìn)行處理是可以防止或削弱一些測距過程中的隨機誤差的。但測距次數(shù)的增多必然會導(dǎo)致通信開銷的上升，如何在通信開銷和測距精度間尋找到平衡點及如何對測距值進(jìn)行有效處理都是實際應(yīng)用時應(yīng)該注意的問題。(3)參考坐標(biāo)誤差。通過衛(wèi)星定位的節(jié)點，其自身坐標(biāo)的精度較高，可以認(rèn)為是節(jié)點的真實坐標(biāo)。然而以其它具有MC-CDMA模塊的節(jié)點為參考時，因為參考節(jié)點也可能是依靠其他節(jié)點通過自身定位后升級為錨節(jié)點的，每次的定位過程必將引入誤差，當(dāng)這種情況越來越多時，定位的誤差就會不斷地累積，影響定位的精度。(4)參考節(jié)點數(shù)目。參考節(jié)點數(shù)目增加，那么對坐標(biāo)進(jìn)行估計時的約束也會增加，在保證參考坐標(biāo)精度的情況下，必然會提高估計精度。但參考節(jié)點數(shù)目增加，不僅會增加通信開銷，計算開銷也會隨之上升。如何取舍進(jìn)行折衷同樣需要在實際應(yīng)用時妥善處理。3.3.1NLOS誤差抑制非視距〔nonlineofsight，NLOS〕信號是指從發(fā)送節(jié)點發(fā)出的信號無法通過直線路徑抵達(dá)接收節(jié)點，必須經(jīng)過反射、衍射或散射后才能到達(dá)接收節(jié)點。NLOS信號所經(jīng)過的路徑比直接到達(dá)的路徑要長，影響了TOA的估計精度，使得基于TOA算法的定位估計成為有偏估計。根據(jù)實際的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，比方在GSM系統(tǒng)中，NLOS造成的典型的平均定位誤差為400～700m[27]。由于NLOS主要受環(huán)境因素的影響，對其它通信定位系統(tǒng)來說，其造成的誤差也大致如此。在一些復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境下，未知節(jié)點和參考節(jié)點之間可能經(jīng)常不存在信號傳播的視距〔LOS〕路徑，此時無線信號只能以反射、折射等方式進(jìn)行傳播。節(jié)點采用TOA技術(shù)對未知節(jié)點定位時，NLOS路徑會使TOA測量值中附加一個正的超量時延。在LOS信道環(huán)境中，兩節(jié)點間的傳播時間it可表示為：杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文18iiin+=0tt(3.8)其中，i表示未知節(jié)點的第i次測量，0it為未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的LOS傳播時間，in通?？烧J(rèn)為是由TOA檢測系統(tǒng)造成的均值為零，標(biāo)準(zhǔn)差很小的高斯隨機變量，服從()s,0N分布。而在NLOS信道環(huán)境中，測量誤差既包括與LOS環(huán)境下相同的高斯隨機測量誤差，又包括NLOS引起的隨機測量誤差。這里，TOA測量值it可表示為[28]：iiiin++=mtt0(3.9)其中，0it為LOS傳播時間，im為NLOS引起的平均超量時延，in那么服從()s,0N分布。假設(shè)有K個參考節(jié)點參與定位，由TOA測距原理可以得到引入NLOS誤差的距離表達(dá)式：KktntNLOStLtrikikikik,,2,1)()()()(L=++=(3.10)式中，)(iktr是未知節(jié)點與第k個參考節(jié)點在it時刻的測量距離；)(iktL是未知節(jié)點與第k個參考節(jié)點在it時刻的實際距離；)(iktn為標(biāo)準(zhǔn)測量誤差，是均值為0，方差為sk的高斯隨機噪聲；)(iktNLOS是在it時刻，對第k個參考節(jié)點的測量過程中產(chǎn)生的非視距誤差。欲取得良好的定位精度，通常要求先驗信息及測量數(shù)據(jù)盡可能的多，測量誤差盡可能的小，并且盡可能的服從零均值高斯分布。在NLOS信道環(huán)境中，TOA測量誤差為具有一正均值的隨機誤差，在不同的信道環(huán)境下有可能服從指數(shù)分布、均勻分布、高斯分布或圓盤散射模型[29]等，且TOA測量誤差的正均值具有隨未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離線性增加的特點。通過提高系統(tǒng)接收機對TOA的測量精度是無法消除NLOS誤差的，NLOS誤差僅與傳播環(huán)境有關(guān)?？紤]NLOS的的指數(shù)分布模型[30,31]，其概率密度函數(shù)為：???íì<3÷÷????è?-=000exp1)(Pttttttrmsrms(3.11)其中t是由NLOS傳播引入的誤差，rmst為均方根時延擴展，可表示為ydTkrmset1=[32]。1T是距離km1=d時的時延擴展中值，kd為未知節(jié)點與參考節(jié)點k之間的實際距離，e為取值在1~5.0之間的指數(shù)分量，y是一個均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差s取值在dB6~4之間的對數(shù)正態(tài)分布隨機變量。不同環(huán)境參數(shù)取值如表3.1所示。表3.1不同環(huán)境NLOS參數(shù)取值參數(shù)鄉(xiāng)村近郊市區(qū)山區(qū)1T0.10.30.41.0e0.50.50.51.0基于以上描述可以看出，NLOS誤差具備以下三個特征[33]：杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文19(1)隨機性。TOA測量值中，NLOS的誤差分布只與電波傳播路徑上的障礙物分布有關(guān)，NLOS誤差具有很強的隨機性。依據(jù)現(xiàn)有的各種誤差分布模型，在標(biāo)準(zhǔn)的鄉(xiāng)村、近郊、市區(qū)和山區(qū)環(huán)境下，NLOS誤差變量的參數(shù)依次增大。誤差的強隨機性導(dǎo)致其誤差值的劇烈變化，使得某些TOA測量值的偏差特別大。這些帶有嚴(yán)重偏差的測量值將對TOA的正確估計產(chǎn)生嚴(yán)重影響。(2)正值性。NLOS誤差是電波在傳播途中遇到障礙物發(fā)生超量延遲導(dǎo)致的，所以TOA測量值中的NLOS誤差總是正值。消除TOA中的NLOS誤差，也就是在一定程度上消除測量值中的正向偏差。(3)獨立性。由式(3.10)可知，TOA測量值可以看作是真實的TOA值與標(biāo)準(zhǔn)測量誤差及NLOS誤差之和。這兩種誤差產(chǎn)生的原因各不相同，因此是相互獨立的?；谶@種獨立性，可以考慮把NLOS誤差從測量值中別離出來，即估計出NLOS誤差，然后從測量值中減去NLOS誤差，就可以得到對TOA較準(zhǔn)確的估計。從NLOS誤差產(chǎn)生的原理可知，對于基于到達(dá)時間定位的方法，即便采用精度很高的時延估計技術(shù)、且不存在多徑干擾，NLOS仍會使TOA的測量結(jié)果有很大偏差。因此，研究抑制NLOS誤差的定位算法對提高定位精度極為重要。3.3.2抑制算法分類各種算法都是帶有一定限制條件，并對應(yīng)用環(huán)境有一定要求的。實際應(yīng)用時很難找到某種算法能夠在可能面對的所有情況下產(chǎn)生良好的性能，所以對抑制算法進(jìn)行綜合應(yīng)用是符合需要的。但不能盲目的將一些算法結(jié)合在一起直接使用，否那么往往會降低某方面的性能。本小節(jié)將對此進(jìn)行討論。通過對NLOS抑制算法進(jìn)行分類，可以將各種算法的特性明辨清楚，以此來指導(dǎo)算法的綜合應(yīng)用才能在做好資源配置的情況下到達(dá)盡可能好的效果?，F(xiàn)有的NLOS抑制算法分類方法，往往從算法中使用技術(shù)的差異來進(jìn)行分類。比方文獻(xiàn)[33]中先判斷NLOS誤差的是否存在將算法分為直接法與間接法?；诖鷥r的分類方法任何性能的提高都需要付出一定的代價，從這個角度看可以將NLOS抑制算法分為兩類，即以時間為代價的抑制算法和以資源為代價的抑制算法。(1)以時間為代價的抑制算法一次測量所獲得的時間值是無法分辨其是否含有NLOS誤差的，即使知道測量值含有NLOS誤差也無法進(jìn)行抑制。以時間為代價的抑制算法仍然可以再分為兩類：第一類是在一段時間中對一個數(shù)據(jù)進(jìn)行屢次測量，獲得大量測量值以判斷是否存在NLOS誤差并進(jìn)行抑制。這種方法由于考察了足夠久的時間，可以較好的獲得NLOS的分布特性，估計誤差較小。但也正因為每次定位都需要考察一段時間的測量值，所以實時性較差。Wylie法[34]是該類方法中較為經(jīng)典的。杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文20第二類是在進(jìn)行定位之前，通過各種手段獲得信道的統(tǒng)計特性，以此為依據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這一類方法雖然沒有占用定位時間，但在進(jìn)行定位之前還是需要一定的準(zhǔn)備時間以獲得信道先驗信息的，所以也將其視為以時間為代價的抑制算法。由于需要提前設(shè)定各種環(huán)境相關(guān)參數(shù)，在參數(shù)與真實環(huán)境不符的情況下會導(dǎo)致性能下降。因此該類算法比較適合環(huán)境確定的系統(tǒng)。置信因子算法[35]〔BFA〕即為此類算法。該算法利用信號強度與損耗模型定義了置信因子。周邊環(huán)境的損耗模型即為先驗信息。(2)以資源為代價的抑制算法以資源為代價的抑制算法根據(jù)消耗的資源不同也可以大體分為兩類：第一類是引入更多的參考節(jié)點，根據(jù)從各參考節(jié)點獲得的數(shù)據(jù)對NLOS進(jìn)行抑制。文獻(xiàn)[36]中的TOA數(shù)據(jù)預(yù)處理方法與殘差加權(quán)算法[37]都屬于第一類。算法要求設(shè)置盡可能多的參考節(jié)點，以獲得足夠的定位精度。這類方法在依靠基站或衛(wèi)星進(jìn)行定位的系統(tǒng)中是得不償失的，有時甚至是難以實現(xiàn)的。第二類是在系統(tǒng)設(shè)備中引入更多部件，以獲得多種不同類型的數(shù)據(jù)，相互融合提高抑制能力。該類算法一般多是引入NLOS抑制機制的混合定位算法。比方文獻(xiàn)[38]提出的NLOS環(huán)境下的TOA/AOA混合定位算法。該類算法大多有效的降低了NLOS誤差的影響，可以得到更好的位置估計結(jié)果，但是要付出節(jié)點設(shè)備復(fù)雜化的代價?；趹?yīng)用時機的分類方法根據(jù)抑制算法相對于定位算法的使用時機不同對抑制算法進(jìn)行分類。定位運算的每個環(huán)節(jié)都可以對NLOS的抑制起到一定的效果。(1)定位算法之前使用的抑制算法該類算法的思想就是在進(jìn)行定位計算之前就盡量將NLOS誤差抑制。首先是大量收集數(shù)據(jù)，包括多個參考節(jié)點的測量數(shù)據(jù)和每個參考節(jié)點的屢次測量數(shù)據(jù)。然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以抑制測量數(shù)據(jù)中的NLOS誤差。最后進(jìn)行定位計算，此時NLOS誤差已經(jīng)根本得到抑制，使用簡單的定位算法也可以滿足要求。前面提到的Wylie法，TOA數(shù)據(jù)的預(yù)處理算法等都可歸于此類。(2)與定位算法同時使用的抑制算法該類算法是將NLOS抑制過程融入到定位運算之中，定位運算完成的同時已經(jīng)達(dá)成了對NLOS的抑制。大多數(shù)這類算法都是在原有的定位算法根底上，針對NLOS誤差的特性進(jìn)行改良，使算法具備NLOS環(huán)境下的精確定位能力。(3)定位算法之后使用的抑制算法該類算法是先將所獲得的數(shù)據(jù)分組，分別進(jìn)行定位估計，得到多組位置估計結(jié)果，然后將結(jié)果中明顯不符合實際情況的舍棄，再根據(jù)某種規(guī)那么將剩余的結(jié)果進(jìn)行融合獲得最終的位置估計。殘差加權(quán)算法就是此類算法。從指導(dǎo)實際應(yīng)用的角度出發(fā)，對現(xiàn)有的NLOS抑制算法提出兩種分類方法。各類算法相互之間并不沖突，不同代價的抑制算法綜合應(yīng)用可以充分利用現(xiàn)有資源到達(dá)精度要求，不同杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文21時機的抑制算法綜合應(yīng)用可以在定位計算的不同環(huán)節(jié)增強抑制效果。實際應(yīng)用時可以酌情選擇其中的一類或幾類，根據(jù)實際情況確定需要的算法種類，然后有針對性的選擇相應(yīng)的抑制算法，如此可以對完成NLOS抑制算法設(shè)計提供實際有效的幫助。3.3.3兩種綜合應(yīng)用下面針對兩種情況，給出了抑制算法的兩種綜合應(yīng)用，以充分發(fā)揮各種因素的影響，提高NLOS抑制效果。(1)第一種綜合應(yīng)用先考慮可能獲得較長時間內(nèi)的連續(xù)測距值的情況，此時應(yīng)該選擇時間代價的算法為主體。撒放節(jié)點組網(wǎng)的情況下，周邊環(huán)境較難預(yù)知，獲得環(huán)境參數(shù)的可能較低。所以本文選擇以改進(jìn)的卡爾曼濾波器算法為抑制算法主體。然后考慮充分利用節(jié)點資源，以資源代價的算法為補充，選擇前面提到的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法。整個算法實現(xiàn)如下：首先對一段時間內(nèi)積累的測量值數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波。在it時刻對某個參考節(jié)點的測量值，建立如式(3.12)、(3.13)所示的狀態(tài)方程與測量方程：(1)()()iiistAstwt+=+(3.12)()()()iiiztGstvt=+(3.13)其中，)(its和)(itz分別是第it個時刻的狀態(tài)變量和測量向量，A和G分別是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和測量矩陣，)(itw和)(itv分別是第it個時刻的過程噪聲和測量誤差。由以上兩個方程建立起了某時刻的測量向量與當(dāng)前時刻及前一時刻的狀態(tài)向量的關(guān)系之后，通過迭代運算對不同時刻的狀態(tài)向量進(jìn)行估計。迭代過程如下：1?~-=iittsAs(3.14)QAPAtPTtii+=-1?~(3.15)1)~(~-+=iiiiiiitTtttTtttRGPGGPK(3.16)iiitttsGze~-=(3.17)針對NLOS誤差的正值性與很強的隨機性，此處增加一個判決，由系統(tǒng)設(shè)置一個門限，考察信息變換。當(dāng)信息ite大于門限時，將ite取0，it時刻狀態(tài)向量的預(yù)測值直接等于估計值；當(dāng)新息ite小于門限時，如下式繼續(xù)進(jìn)行迭代：iiiitttteKss+=~?(3.18)iiiittttPGKIP~)(?-=(3.19)式(3.14)～(3.19)中，its~、its?分別是it時刻狀態(tài)向量的預(yù)測值和估計值；itP~、itP?分別是it時刻預(yù)測誤差的協(xié)方差矩陣和估計誤差的協(xié)方差矩陣；Q、R分別是it時刻)(itw和)(itv的協(xié)方差矩陣；ite是測量向量)(itz對應(yīng)的新息；itK是在it時刻的Kalman增益。設(shè)有M個參考節(jié)點提供定位支持，對每個參考節(jié)點的TOA數(shù)據(jù)進(jìn)行如上卡爾曼濾波后，杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文22綜合所有處理后測量值，進(jìn)行如下流程的處理：1)構(gòu)造矩陣MMijaA′=)(，jiijtta-=，參考節(jié)點序號Mji,,1,L=。構(gòu)造矩陣MMijbB′=)(，ijb是參考節(jié)點i和j間的距離所對應(yīng)的電波傳播時間，并取1=iib。記下矩陣BA-中大于零的元素所在行、列，形成一個2′n的矩陣C，每行對應(yīng)一對有覆蓋的定位圓，第一列是覆蓋者，第二列是被覆蓋者；2)統(tǒng)計第二列共有多少個不同元素，每個元素各有幾個，假設(shè)存在某個或某幾個元素的個數(shù)大于3，那么刪除矩陣C中該元素所在的行；3)統(tǒng)計新的C中第一列有多少個不同元素，每個元素各有幾個，假設(shè)不同