海小娟,梁宏倩

(西安文理學(xué)院，陜西西安，710065)

基于無線電相干的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位

海小娟,梁宏倩

(西安文理學(xué)院，陜西西安，710065)

目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法中，能夠兼顧高精度和遠(yuǎn)距離定位的算法只有RIPS方法，然而該方法利用匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中定位。提出了一種基于無線電相干的角度估計(jì)算法，并分布式定位節(jié)點(diǎn)，在高精度、遠(yuǎn)距離定位節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，可大規(guī)模應(yīng)用該算法，且定位速度快。實(shí)驗(yàn)表明，該方法平均方位估計(jì)誤差是3.20，90%的測(cè)量值誤差在6.4度以內(nèi)。

無線電相干；角度估計(jì)；節(jié)點(diǎn)定位

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。目前一般的定位方法都是依靠聲音或者無線電波這兩個(gè)媒介來定位，但他們都有明顯的缺陷?；诰_測(cè)距的技術(shù)（典型的有聲音定位）其測(cè)量距離有限，并且受到方向限制。使用無線電波定位的方法通常依靠接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS），該方法在短距離上相對(duì)比較精確，但是幾米之外就不是很準(zhǔn)確了。利用對(duì)射頻干涉信號(hào)的相位測(cè)量提出一種RIPS方法,可以實(shí)現(xiàn)高精度遠(yuǎn)距離定位,然而該方法利用匯聚節(jié)點(diǎn)收集相位測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行集中定位，顯然,系統(tǒng)的擴(kuò)展性將受到節(jié)點(diǎn)數(shù)量的制約。

1 無線電相干

無線電相干利用兩個(gè)發(fā)射機(jī)直接產(chǎn)生相干信號(hào)。如果兩個(gè)發(fā)射機(jī)的頻率幾乎相同，則合成信號(hào)一定含有一個(gè)低頻包絡(luò)，該包絡(luò)信號(hào)能被低頻RF芯片使用RSSI來測(cè)量。相位差依靠許多因素，包括傳輸起始時(shí)間。然而，兩個(gè)接收機(jī)之間的相對(duì)相位差只依賴于兩個(gè)接收機(jī)和兩個(gè)發(fā)射機(jī)的位置以及載頻波長(zhǎng)。

建模無線電RSSI電路：RSSI信號(hào)是進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)過混頻到中頻后的用dBm表示的功率。之后低通，低通頻率是fcut。用r（t）表示低通濾波后的信號(hào)。

2 角度估計(jì)及定位

將上面的A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)放在一起形成一個(gè)天線陣列。A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射頻率相近的正弦波來相干產(chǎn)生一個(gè)低頻beat信號(hào)。在第三個(gè)陣列節(jié)點(diǎn)C和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D測(cè)得的相位差是后者位置的雙曲線函數(shù)。假設(shè)陣列的中間點(diǎn)位置已知，陣列的各個(gè)天線到

中間點(diǎn)的距離已知。該陣列包括三個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)（M）和兩個(gè)輔助接點(diǎn)（A1，A2），如圖1所示。在預(yù)先確定的時(shí)間，M和A1發(fā)送頻率相近的兩個(gè)正弦波，這兩個(gè)波相干產(chǎn)生一個(gè)低頻beat信號(hào)，該信號(hào)的相位通過A2和一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)R來測(cè)量。

圖1 角度估計(jì)示意圖

雙曲線方程為：

利用兩組不同位置的天線陣列，求出兩個(gè)角度值，根據(jù)幾何圖形利用三角公式即可求出節(jié)點(diǎn)R的位置。

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

一般傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括 CPU 、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無線通信模塊組成）、以及電源部分，如圖2所示。此外，可以選擇的其它功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

本節(jié)點(diǎn)只用來驗(yàn)證算法的有效性和定位精度，不需要傳感單元、移動(dòng)系統(tǒng)及電源自供給系統(tǒng)。處理器模塊采用的是AtmelAVR系列的一款8位處理器ATmega128L,其時(shí)鐘頻率為7.3728MHz,具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4K字節(jié)的SRAM,以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。無線收發(fā)模塊采用的是Chipcon公司的CC1000無線射頻模塊,其通信頻率為433MHz。在基于事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)TinyOS開發(fā)環(huán)境上,利用組件化/模塊化的nesC語言,完成定位系統(tǒng)及算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)1中，測(cè)量六個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的方位精度，他們圍繞天線陣列每隔60度放置一個(gè)，距離中心點(diǎn)10米。這個(gè)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)天線陣列方向性如何影響方位誤差。在實(shí)驗(yàn)2中，測(cè)量14個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)分布于方形區(qū)域內(nèi)，區(qū)域外圍分布三個(gè)天線陣列。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)1中對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行50次方位估計(jì)。平均方位誤差顯示在圖4a中。對(duì)于實(shí)驗(yàn)2，每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)從每一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到接受節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行35次方位估計(jì)，每一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)共接受105個(gè)估計(jì)，一共是1470個(gè)估計(jì)。圖4a顯示了實(shí)驗(yàn)1中每一個(gè)方位的誤差。圖4b顯示的是分布式的方位估計(jì)誤差。平均方位估計(jì)誤差是3.20，90%的測(cè)量值誤差在6.4度以內(nèi)。

圖4 實(shí)驗(yàn)誤差示意圖

5 結(jié)論

基于無線電相干技術(shù)，提出一種分布式可大規(guī)模應(yīng)用的角度估計(jì)定位算法。該定位方法定位精度高、距離遠(yuǎn)，并且因?yàn)楦鱾€(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身定位，所以該方法是分布式的、可大規(guī)模應(yīng)用的，且速度快。下一步的工作是利用角度信息優(yōu)化位置估計(jì)。

Y. Kwon, K. Mechitov, S. Sundresh, W. Kim and G. Agha,Resilient localization for sensor networks in outdoor environments, Technical Report UIUCDCS-R-2004-2449, Department of Computer Science, University of Illinois at Urbana Champaign, 2004.

海小娟.女.1980年出生.陜西寶雞.講師.研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

Node localization in sensor networks based on wireless coherent

Hai Xiaojuan,Liang Hongqian
(Xi’an University of Arts & Science,Xi’an,710065,China)

At present,wireless sensor network node positioning algorithm,capable of both high precision and long distance positioning algorithm only the RIPS method, however,the sink node centralized location. An estimation algorithm is proposed based on the perspective of radio interference,and distributed node localization,in the high accuracy, remote location nodes at the same time,large-scale application of the algorithm,and the positioning speed. Experiments show that,the average estimation error is 3.20,90% of the measurement error in 6.4 degrees.

radio interference;angle estimation;node localization

TN98

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