基于UWB網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)

在很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)應用中，沒(méi)有節點(diǎn)位置信息的監測往往毫無(wú)意義。當監測到事件發(fā)生時(shí)，關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題就是該事件發(fā)生的位置，如森林火災監測，天然氣管道泄漏監測等。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(lái)報告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還可用于目標跟蹤、目標軌跡預測、協(xié)助路由以及網(wǎng)絡(luò )拓撲管理等。因此節點(diǎn)定位問(wèn)題已成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)首要解決的問(wèn)題。

1 問(wèn)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高速傳輸數據的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這種通信技術(shù)具有隱蔽性好、穿透能力強、定位精度高以及功耗低等特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的測距、定位應用中，具有十分重要的現實(shí)作用，并己經(jīng)應用到實(shí)際物資供應跟蹤定位中。

UWB信號具有非常寬的帶寬，將其應用于TOA定位方法有助于實(shí)現較高的測距精度。然而，在實(shí)際應用環(huán)境常常出現多徑干擾，此時(shí)UWB直達信號難以 精確檢測。因而，本文提出了通過(guò)模糊邏輯技術(shù)對首次到達信號時(shí)間和最強信號時(shí)間進(jìn)行加權來(lái)得到直達信號到達時(shí)間的方法，使得UWB在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定 位中的應用成為可能。

2 TOA距離估計方法

對于一個(gè)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(wú)線(xiàn)信號應用基于時(shí)間的技術(shù)可實(shí)現相對精確的定位。

一般情況下，TOA定位方法是利用檢測接收信號中的直達路徑的到達時(shí)間，來(lái)測量通信收發(fā)節點(diǎn)間的距離。因此，對直達路徑信號到達時(shí)間的精確估計是至 關(guān)重要的。本文所討論的節點(diǎn)定位方法針對的是典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)檢測接收到信號的幅度是否最大來(lái)確定直達信號的到達時(shí)間，但是這種方法 在多徑條件下難以達到較高的測量精度。典型多徑環(huán)境下的UWB接收信號如圖1所示。直達信號(direct path)并非首次到達信號(first path，與門(mén)限有關(guān))或幅度最強信號(strongest path)，因此在這種情況下，使用首次到達信號或幅度最強信號的到達時(shí)間都不能準確估計發(fā)射端節點(diǎn)和接收端節點(diǎn)之間的距離?？梢岳米畲笏迫还烙嫹z測 直達路徑信號的到達時(shí)間來(lái)計算傳感器節點(diǎn)之間的距離，但在復雜多徑環(huán)境下容易造成信號波形的失真，因此有一定的實(shí)現難度。針對UWB直達信號難以精確檢測 的特點(diǎn)，本文提出通過(guò)對首次到達信號時(shí)間和最強信號時(shí)間進(jìn)行加權來(lái)得到直達信號到達時(shí)間，其加權系數由模糊邏輯技術(shù)獲得。

3 基于模糊邏輯的權值選取

設UWB信號在T0時(shí)刻被發(fā)送，在接收端節點(diǎn)接收到的首次到達信號和幅度最強信號的到達時(shí)刻分別為T(mén)f和Ts，而直達信號到達時(shí)刻通過(guò)下式計算：

其中c=3×108m／s，為無(wú)線(xiàn)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(lái)選取權值a。設首次到達信號和幅度最強信號的幅度分別為Ef和Es，并定義E=|Ef|／|Es|，Tr=(Tf- T0)／(Ts-T0)。Er和Tr為模糊邏輯函數的輸入，a為輸出。Er、Tr和a分別定義了低、中、高3個(gè)值。選擇a值的規則如表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，并結合節點(diǎn)定位技術(shù)，對節點(diǎn)進(jìn)行定位。Er，Tr和a的隸屬函數如圖2所示。

取發(fā)射信號時(shí)刻T0=0，在接收端分別記錄下首次到達信號時(shí)刻Tf，幅度最強信號的到達時(shí)刻Ts，首次到達信號幅度Ef和幅度最強信號的幅度Es。 分別計算出模糊邏輯的輸入值Er、Ts，根據隸屬函數，可以得到a。將Tf、Ts、a代入(3)式即可得到直達信號到達時(shí)刻T，進(jìn)而結合(4)式計算出兩 點(diǎn)之間的距離。

假設有三個(gè)參考節點(diǎn)(0，0)、(10，0)、(10，10)，盲節點(diǎn)到參考節點(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點(diǎn)的位置，如表2所列。

這里，定義節點(diǎn)定位誤差為節點(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，在節點(diǎn)定位中，應用基于UWB的測距技術(shù)可極大地提高節點(diǎn)定位精度。