黃曉冬，劉曉娣，丁兆明

（1．海軍航空工程學(xué)院 a．科研部；b．電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001；

2．92664 部隊(duì)，山東 青島 266031）

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)對(duì)象信息，并將處理后的信息以無(wú)線(xiàn)方式傳送到用戶(hù)端。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些節(jié)點(diǎn)被破壞后或新的節(jié)點(diǎn)加入后，并不影響剩余的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)依然能自組成無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，這樣即使在條件極差的環(huán)境中節(jié)點(diǎn)依舊能夠正常工作。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可在精確制導(dǎo)和火炮控制中進(jìn)行準(zhǔn)確的目標(biāo)定位，向指揮中心提供目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊[1-2]。本文僅研究了其中的RSSI及TOF測(cè)距技術(shù)，并比較這2種測(cè)距技術(shù)在不同范圍內(nèi)的測(cè)距效果。

1 RSSI 測(cè)距技術(shù)

通過(guò)接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)在傳播過(guò)程中的損耗，利用信號(hào)衰減和傳播距離之間的關(guān)系計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離[3-4]。

自由空間無(wú)線(xiàn)電傳播路徑損耗模型如下：

式(1)中：一般d0取1 m；k為路徑衰減因子，一般取2~5；f為頻率，單位為MHz。

在實(shí)際環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，通常采用對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型路徑損耗描述：

式(2)中：PL0/dBm為經(jīng)過(guò)參考距離d0后的路徑損耗，PL(d)/dBm為經(jīng)過(guò)距離d后的路徑損耗，Xσ為均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為4~10的隨機(jī)變量，服從高斯分布。

未知節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度值可由下式得到：

式中，Pt為信號(hào)發(fā)送時(shí)強(qiáng)度。

IEEE802.15.4 簡(jiǎn)化的信道的數(shù)學(xué)模型[5]如式(4)所示，并且該模型如圖1 所示。

圖1 IEEE802.15.4簡(jiǎn)化信道數(shù)學(xué)模型圖

實(shí)際環(huán)境中，根據(jù)基本的原理模型和基于大量實(shí)際測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立RSSI與距離的模型方程，故RSSI與實(shí)際距離間的關(guān)系可簡(jiǎn)化為

式(5)中，c1和c2根據(jù)具體環(huán)境改變而產(chǎn)生變化，只要能夠較準(zhǔn)確地確定c1和c2的值，就能夠得到較準(zhǔn)確的RSSI 與實(shí)際距離的關(guān)系。

2 TOF 測(cè)距技術(shù)

TOF測(cè)距通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離[6]，電磁波是TOF測(cè)距中使用的能量波，測(cè)距原理是：發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)接收到該信號(hào)后，將包含時(shí)間參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息回發(fā)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。

TOF測(cè)距時(shí)間可以由下式描述

式(6)中：TOT為能量波傳播往返的時(shí)間；TxD為接收延遲時(shí)間；RxD為發(fā)送延遲時(shí)間；TAT為接收節(jié)點(diǎn)收到發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)與回發(fā)信號(hào)之間的周轉(zhuǎn)時(shí)間，為遠(yuǎn)距離補(bǔ)償時(shí)間；L為近距離補(bǔ)償時(shí)間。

通過(guò)TOF 測(cè)量時(shí)間和電磁波傳播速度就可以計(jì)算出TOF 測(cè)量距離值[7-8]：

式(7)中：Dis為測(cè)量距離值；c為電磁波在空氣中的傳播速度，通常取3×108m/s。

RSSI 測(cè)距技術(shù)能量消耗低、成本低廉且易于實(shí)現(xiàn)，但由于信號(hào)隨著距離增加衰減厲害，因而RSSI測(cè)距技術(shù)在遠(yuǎn)距離測(cè)量中精度不高，是一種比較粗糙的方法。TOF 測(cè)距技術(shù)采用電磁波作為其能量波，傳播速度快，傳播射程遠(yuǎn)，在遠(yuǎn)距離測(cè)量中測(cè)距精度非常高，但是在近距離測(cè)量中測(cè)距誤差較大[9-10]。

3 基于TOF 和RSSI 的測(cè)試仿真

為了獲取一個(gè)有實(shí)際意義的信號(hào)強(qiáng)度值RSSI與距離關(guān)系的模型方程，并由此計(jì)算出RSSI 模式下的測(cè)距值，再與TOF 模式下的測(cè)距值比較，實(shí)際進(jìn)行了測(cè)試研究。

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集，2 個(gè)節(jié)點(diǎn)距離范圍從0~300 m。采用不同的距離間隔測(cè)量2 組數(shù)據(jù)：0~10 m，每隔0.2 m 測(cè)一次，每次采集200 個(gè)數(shù)值；10~300 m，每隔10 m 測(cè)一次，每次采集200 個(gè)數(shù)值。在Matlab 中進(jìn)行計(jì)算，將每次采集的200 個(gè)值的平均值進(jìn)行擬合，得到不同范圍內(nèi)RSSI 測(cè)距擬合曲線(xiàn)如圖2 所示。

得到的2 段擬合曲線(xiàn)的方程式如下：

圖2 RSSI測(cè)距擬合曲線(xiàn)

通過(guò)每次采集到的TOFps 值的平均值結(jié)合式(7)中解算出TOF 模式下對(duì)應(yīng)的距離值，通過(guò)每次采集到的RSSI 值的平均值結(jié)合式(8)中解算出RSSI 模式下對(duì)應(yīng)的距離值，然后比較分析2 種模式下的測(cè)距值，得到不同范圍內(nèi)的測(cè)距值如圖3 所示。

圖3 TOF和RSSI測(cè)距值比較

從圖3 a)中看出，在近距離(0~10 m)，TOF 測(cè)距值偏離真值較大，發(fā)散性很大，RSSI 測(cè)距值偏離真值較小；從圖3 b)中看出，在遠(yuǎn)距離(10~300 m)，TOF 測(cè)距值偏離真值較小，而RSSI 測(cè)距值的發(fā)散性很大。從這2 幅圖還不能直觀(guān)地分析出2 種模式測(cè)距效果，下面通過(guò)不同范圍內(nèi)的測(cè)距誤差進(jìn)行分析，圖4 所示為2 種模式測(cè)距誤差比較。

圖4 TOF和RSSI測(cè)距誤差比較

圖4 a)、4 b)所示分別為2 種不同模式下的測(cè)距誤差圖，可以更加直觀(guān)表現(xiàn)出2 種測(cè)距模式在不同距離范圍內(nèi)的優(yōu)劣勢(shì)。在近距離(0~10 m)，TOF 測(cè)時(shí)測(cè)距的誤差相對(duì)偏大，而近距離的RSSI 信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)、變化比較明顯，誤差基本在零基準(zhǔn)線(xiàn)上下浮動(dòng)，誤差很小。因此，在近距離測(cè)距可以采用RSSI定位為主，TOF 定位為輔。在遠(yuǎn)距離(10~300 m)，TOF 測(cè)距的精度很高，在200 m 以后TOF 測(cè)時(shí)測(cè)距的相對(duì)精度在5%以?xún)?nèi)，TOF 測(cè)距的誤差趨勢(shì)，存在一定范圍的零偏，相對(duì)誤差隨著測(cè)量距離的增大而減小，而遠(yuǎn)距離RSSI 測(cè)距誤差很大，故遠(yuǎn)距離測(cè)距可以采用TOF 定位為主，RSSI 定位為輔。

綜合上述分析，在近距離內(nèi)RSSI 測(cè)距精度更高，發(fā)散性更??；在遠(yuǎn)距離內(nèi)TOF 測(cè)距精度更高，發(fā)散性更小，所以在后繼研究中可以融合這2 種測(cè)距模式下的測(cè)距值，使得測(cè)距估計(jì)最優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了RSSI 信號(hào)強(qiáng)度模型并建立了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的RSSI—距離關(guān)系模型，建立了TOF測(cè)距模型，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試對(duì)這2 種測(cè)距技術(shù)在不同距離范圍內(nèi)的測(cè)距效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，在近距離內(nèi)RSSI 測(cè)距精度更高，在遠(yuǎn)距離內(nèi)TOF 測(cè)距精度更高。

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