UWB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

摘要：在基于距離的定位算法的基礎(chǔ)上，提出基于超寬帶(UWB)通信技術(shù)的TOA(Time 0f Arrival)測距方法。UWB信號具有隱蔽性好、穿透能力強(qiáng)、定位精度高以及功耗低等特點(diǎn)，但在節(jié)點(diǎn)定位應(yīng)用中，UWB直達(dá)信號難以精確檢測。本文提出通過對首次到達(dá)信號時間和最強(qiáng)信號時間進(jìn)行加權(quán)來得到直達(dá)信號到達(dá)時間，并采用模糊邏輯技術(shù)計算加權(quán)系數(shù)。實(shí)際數(shù)據(jù)仿真試驗表明，基于UWB的定位技術(shù)可極大地提高定位精度。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；UWB；定位技術(shù)

    在很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用中，沒有節(jié)點(diǎn)位置信息的監(jiān)測往往毫無意義。當(dāng)監(jiān)測到事件發(fā)生時，關(guān)心的一個重要問題就是該事件發(fā)生的位置，如森林火災(zāi)監(jiān)測，天然氣管道泄漏監(jiān)測等。這些事件的發(fā)生，首先需要知道的就是自身的地理位置信息。定位信息除了用來報告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還可用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測、協(xié)助路由以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼?。因此?jié)點(diǎn)定位問題已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個首要解決的問題。

1 問題描述
    超寬帶(Ultra WideBanol，UWB)通信技術(shù)是一種以ns級的沖擊脈沖在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。這種通信技術(shù)具有隱蔽性好、穿透能力強(qiáng)、定位精度高以及功耗低等特點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測距、定位應(yīng)用中，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)作用，并己經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際物資供應(yīng)跟蹤定位中。
    UWB信號具有非常寬的帶寬，將其應(yīng)用于TOA定位方法有助于實(shí)現(xiàn)較高的測距精度。然而，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境常常出現(xiàn)多徑干擾，此時UWB直達(dá)信號難以精確檢測。因而，本文提出了通過模糊邏輯技術(shù)對首次到達(dá)信號時間和最強(qiáng)信號時間進(jìn)行加權(quán)來得到直達(dá)信號到達(dá)時間的方法，使得UWB在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中的應(yīng)用成為可能。

2 TOA距離估計方法
    對于一個單路徑加性白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AwGN)信道條件，可以利用TOA測距的距離估計根均方差：

其中，S(f)為發(fā)送的傳輸信號的傅立葉變換。顯然，估計的根均方差同信號的RSNR和有效帶寬有關(guān)，RSNR和有效帶寬越大，估計的根均方差越小。由于UWB信號帶寬非常寬，UWB無線信號應(yīng)用基于時間的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相對精確的定位。
    一般情況下，TOA定位方法是利用檢測接收信號中的直達(dá)路徑的到達(dá)時間，來測量通信收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離。因此，對直達(dá)路徑信號到達(dá)時間的精確估計是至關(guān)重要的。本文所討論的節(jié)點(diǎn)定位方法針對的是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。一般來說，通過檢測接收到信號的幅度是否最大來確定直達(dá)信號的到達(dá)時間，但是這種方法在多徑條件下難以達(dá)到較高的測量精度。典型多徑環(huán)境下的UWB接收信號如圖1所示。直達(dá)信號(direct path)并非首次到達(dá)信號(first path，與門限有關(guān))或幅度最強(qiáng)信號(strongest path)，因此在這種情況下，使用首次到達(dá)信號或幅度最強(qiáng)信號的到達(dá)時間都不能準(zhǔn)確估計發(fā)射端節(jié)點(diǎn)和接收端節(jié)點(diǎn)之間的距離?？梢岳米畲笏迫还烙嫹z測直達(dá)路徑信號的到達(dá)時間來計算傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，但在復(fù)雜多徑環(huán)境下容易造成信號波形的失真，因此有一定的實(shí)現(xiàn)難度。針對UWB直達(dá)信號難以精確檢測的特點(diǎn)，本文提出通過對首次到達(dá)信號時間和最強(qiáng)信號時間進(jìn)行加權(quán)來得到直達(dá)信號到達(dá)時間，其加權(quán)系數(shù)由模糊邏輯技術(shù)獲得。

3 基于模糊邏輯的權(quán)值選取
    設(shè)UWB信號在T0時刻被發(fā)送，在接收端節(jié)點(diǎn)接收到的首次到達(dá)信號和幅度最強(qiáng)信號的到達(dá)時刻分別為Tf和Ts，而直達(dá)信號到達(dá)時刻通過下式計算：

其中c=3×108m／s，為無線電信號在自由空間的傳播速度。
    這里使用模糊邏輯技術(shù)來選取權(quán)值a。設(shè)首次到達(dá)信號和幅度最強(qiáng)信號的幅度分別為Ef和Es，并定義E=|Ef|／|Es|，Tr=(Tf-T0)／(Ts-T0)。Er和Tr為模糊邏輯函數(shù)的輸入，a為輸出。Er、Tr和a分別定義了低、中、高3個值。選擇a值的規(guī)則如表1所列。

4 仿真分析
    對測得的多徑環(huán)境下的UWB接收信號方法的測距精度進(jìn)行驗證，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。Er，Tr和a的隸屬函數(shù)如圖2所示。

    取發(fā)射信號時刻T0=0，在接收端分別記錄下首次到達(dá)信號時刻Tf，幅度最強(qiáng)信號的到達(dá)時刻Ts，首次到達(dá)信號幅度Ef和幅度最強(qiáng)信號的幅度Es。分別計算出模糊邏輯的輸入值Er、Ts，根據(jù)隸屬函數(shù)，可以得到a。將Tf、Ts、a代入(3)式即可得到直達(dá)信號到達(dá)時刻T，進(jìn)而結(jié)合(4)式計算出兩點(diǎn)之間的距離。
    假設(shè)有三個參考節(jié)點(diǎn)(0，0)、(10，0)、(10，10)，盲節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離分別為6．20、2．88、9．46，利用三邊測量法可以獲得節(jié)點(diǎn)的位置，如表2所列。

    這里，定義節(jié)點(diǎn)定位誤差為節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置與估計位置的歐幾里得距離。從表中可以看出，在節(jié)點(diǎn)定位中，應(yīng)用基于UWB的測距技術(shù)可極大地提高節(jié)點(diǎn)定位精度。