張林山，蘇應(yīng)敢，姚建，王彥

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217;2.云南電網(wǎng)有限責任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100)

0 前言

基于UWB 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，將成為下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。在UWB 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息是傳感器節(jié)點消息中不可缺少的部分，是時間報告、目標跟蹤、地理路由、網(wǎng)絡(luò)管理等系統(tǒng)功能的前提。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布放后實時地進行定位，定位是UWB 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能之一。UWB 傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位算法主要分為兩類:基于測距的算法和非基于測距的算法，基于測距的算法主要有基于接收信號到達時間的TOA(time of arrival)、基于接收信號到達時間差的TDOA (time difference of arrival)、基于到達角度估計的AOA (angle of arrival)和基于接收信號強度估計的RSSI (received signal strength)等，距離無關(guān)的定位算法主要有質(zhì)心算法、凸規(guī)劃、DV－Hop、Amorphous、MDS－MAP 和APIT［1－3］。

定位能力是評價傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要指標，它代表傳感器網(wǎng)絡(luò)在各類情況下對自身節(jié)點位置判定的準確度水平。評價定位能力的優(yōu)劣，主要通過描述定位精度的高低來進行，定位精度與采用的定位算法有著密切的聯(lián)系，而定位算法的精度與各影響因素有著至關(guān)重要的聯(lián)系，因此，本文從傳統(tǒng)的基于測距的定位方法入手，分析了影響TOA 測距精度的因素。

1 基于測距的UWB 定位方法分析

在無線系統(tǒng)中，定位一個未知節(jié)點涉及收集目標節(jié)點和參考節(jié)點間無線信號的距離信息。下面將分析TOA、TDOA、AOA 和RSSI 四種方法的優(yōu)缺點［4］:

1.1 TOA 方法

基于TOA 的定位就是根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后根據(jù)距離計算出節(jié)點的位置。

基于TOA 的定位精度高，但要求節(jié)點間保持精確的時間同步，因此對傳感器節(jié)點的硬件和功耗提出了較高的要求［5］。

1.2 TDOA 方法

在基于TDOA 的定位機制中，節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(常使用RF 和超聲波信號)，接收節(jié)點通過記錄兩種不同信號到達時間差異，根據(jù)已知信號傳播速度，計算兩個節(jié)點間的距離，再通過已有基本的定位算法算出節(jié)點的位置。

TDOA 技術(shù)對硬件要求高，成本和能耗使得該種技術(shù)對低能耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了挑戰(zhàn)。但是TDOA 技術(shù)測距誤差小，有較高的精度。

1.3 基于AOA 的定位

在基于AOA 的定位機制中，接收節(jié)點通過天線陣列或多個超聲波接收機感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點之間的相對方位或角度，再通過三角測量法計算出節(jié)點的位置。

基于AOA 的定位不僅能確定節(jié)點的坐標，還能提供節(jié)點的方位信息。但AOA 測距技術(shù)容易受到外界環(huán)境影響，且AOA 需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1.4 基于RSSI 的定位

在基于RSSI 的定位中，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度，計算出信號的傳播損耗，利用理論或經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，然后計算出節(jié)點的位置。

基于RSSI 的定位，因傳感器節(jié)點本身具有無限通信能力，故其是一種低功耗、廉價的測距技術(shù)。它的主要誤差來源是環(huán)境影響造成的，信號傳播模型的建模復(fù)雜，反射、多徑傳播、非視距、天線增益等問題都會對相同距離長生顯著不同的傳播損耗，因而是一種粗糙的測距技術(shù)［6］。

2 基于TOA 定位的誤差源

基于TOA 的定位比較簡單，在工程應(yīng)用中容易實現(xiàn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的定位方法，下面將對該方法的誤差源進行分析，為以后實際應(yīng)用中的修正提供理論依據(jù)。影響TOA 測距的誤差源主要有以下幾個方面:

1)溫度、濕度和大氣壓:超寬帶脈沖信號的傳播速度對相對濕度和大氣壓強不是非常敏感，但對溫度的變化確實非常敏感的:在其實驗室內(nèi)，時，測距誤差;時，測距誤差;時，測距誤差;時，測距誤差高達。因此，溫度是影響UWB 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于TOA 定位的極其重要的一個因素。

2)多徑傳播:如果信標節(jié)點和未知節(jié)點間存在障礙物，及兩節(jié)點間是非視距路徑，那么UWB 信號可能穿透障礙物或經(jīng)過障礙物的反射到達節(jié)點。這兩種情況都會引起信號傳輸更長的距離，從而導(dǎo)致誤差。

3)軟件處理延遲:接收來自信標節(jié)點的消息的軟件處理時間，這個時間依賴于處理器的速度。由于所計算的時間要乘上光速，因此，時間上很小的誤差，都可能造成很大的測距差，從而導(dǎo)致較大的定位誤差。

4)UWB 信號頻率和天線增益:UWB 信號在空氣中，頻率和天線增益越高，功率就越大，精度也就越高，但在空氣中衰減會越快，傳輸距離也越短;反之，信號在空氣中衰減就越慢，傳輸距離也越長，但誤差也會更大。電池的不足也會造成測距誤差。

5)電磁干擾:電磁干擾會對信號發(fā)送和接收有較大的影響，使得信號在不同角度上的信號差異比較大，從而造成相應(yīng)的誤差。

3 結(jié)束語

本文分析了基于接收信號到達時間的TOA(time of arrival)、基于接收信號到達時間差的TDOA (time difference of arrival)、基于到達角度估計的AOA (angle of arrival)和基于接收信號強度估計的RSSI (received signal strength)的優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上分析了影響TOA 定位精度的誤差源，為今后UWB 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOA 定位的校正及參數(shù)修正提供了一定的理論依據(jù)。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學出版社，2005:140－155.

［2］陳元元，姚佩陽.基于TOA 的傳感器網(wǎng)絡(luò)等位誤差幾何分布研究［J］.通信技術(shù)，2009，42 (10):63－68.

［3］史龍，王福豹，段渭軍，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Range－Free自身定位機制與算法［J］.計算機工程與應(yīng)用，2004(23):126－130.

［4］張華，宋正勛，石云，等.基于超寬帶的TOA 定位技術(shù)研究［J］.吉林大學學報(信息科學版)，2006，26 (1):106－110.

［5］POOR H V.An Introduction to Signal Detection and Estimation ［M］.2thed.New York:Springer－Verlag，1994

［6］QI Y，KOBAYASHI H.On Relation Among Time Delay and Signal Strength Based Geolocation Methods ［C］Global Telecommunications Conf (GLOBECOM03).San Francisco，CA:［s.n.］，2003，7:4079－4083.