無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測距算法

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中TOF測距算法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)中節(jié)點的準確定位對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有重要的意義。根據(jù)定位過程中是否測量實際節(jié)點間的距離,可將定位算法劃分為與距離無關(guān)的定位算法和基于距離的定位算法。與距離無關(guān)的如質(zhì)心算法,凸規(guī)劃法，DV2Hop算法,APIT算法等,其特點是定位簡單,對節(jié)點硬件條件要求低,但定位精度較差；基于距離的定位算法包括基于信號飛行時間時間(TOF),基于到達時間差(TDOA),基于到達角度(AOA)，基于信號接收強度(RSS的定位算法等等。通常來說,它們對節(jié)點硬件要求較高,能耗較大

2、,但具有較高的定位精度?；跍y距的方法定位是利用錨節(jié)點和未知節(jié)點的幾何關(guān)系來確定未知節(jié)點的位置，通過未知節(jié)點與三個或三個以上的錨節(jié)點距離信息，再根據(jù)三邊測量法或最大似然估計法可以求得未知節(jié)點的位置。所以其關(guān)鍵是準確測量出未知節(jié)點與錨節(jié)點的距離,本文主要分析TOF的測距方法。1測距算法基于信號飛行時間的測距算法有：到達時間法(TOA，timeofarrival)、雙方式法(TWR，towwayranging)、對稱雙邊雙方式法(SDS-TWR，symmetricdouble-sidedtwowayranging)等。1.1TOA算法一對裝有無線收發(fā)器的節(jié)點

3、A、B可以通過電磁波信號從A傳播到B所用的時間來估算。圖1為到達時間法的信號傳播示意圖。設(shè)移動節(jié)點A在雙方約定的時刻發(fā)出測距信息，節(jié)點A在發(fā)送的信號中包含一個同步消息，告知節(jié)點B信號發(fā)送的時間T0，節(jié)點B接受信號的同時接收同步消息，并記錄接收時間T1，則信號飛行時間Tp=T1-T0。設(shè)電磁波在大氣中傳播速度為C(3),飛行時間為Tp,節(jié)點A與B的距離可以估算為S=CTpTOA測距的關(guān)鍵是節(jié)點A與節(jié)點B時間必須要嚴格同步。電磁波的速度為3m/s，如果雙側(cè)時鐘誤差為1ns，測量距離誤差即為0.3m。如果要求測距誤差為1m，則允許雙側(cè)的時鐘誤差不超過3ns。B

4、ATp圖1TOA測距原理圖考慮到當A到達T0時刻時，節(jié)點A將包含發(fā)送時刻T0的數(shù)據(jù)包調(diào)制到信號波上的時間為T，時間T為一個可測常量，故實際信號飛行時間Tp實=T1-T0-T實際距離S=CTp實。TOA的誤差主要來源于A，B節(jié)點時間不同步的誤差和B節(jié)點晶振頻率漂移導致計時時間T1不準的誤差。可以選擇頻率高穩(wěn)定性高的晶振來減小頻率漂移的誤差，但相對的能耗和費用就會增加。下面分析頻率漂移帶來的誤差。在節(jié)點A,B同步的條件下，假設(shè)B的精準時鐘脈沖頻率為f，實際晶體因為制造工藝，環(huán)境溫度變化等因素影響下，頻率漂移為f，即實際頻率為=f+f其f為一個隨時間變化的隨機

5、量。則實際測量的時間為=t(1+)由此可知由于頻率漂移使得測量時間與實際時間的誤差為t。1.2TWR算法圖2為TWR法的信息交換示意圖。節(jié)點A發(fā)出測距信息，同時啟動計時器計時,經(jīng)過Tp后節(jié)點B收到信息，但由于雙側(cè)時鐘不同步，節(jié)點B無法確認Tp。節(jié)點B收到信息后立即啟動計時，若收到的是本方的測距命令后，則向節(jié)點A發(fā)出應(yīng)答信息(信息中包含本方處理時間設(shè)為T2)，節(jié)點A在(2Tp+T2)時間后收到應(yīng)答信息后終止本輪計時。一輪測距所以往返時間為T1T1=2Tp+T2對于節(jié)點B，T2為可測常量，因此有飛行時間Tp=ABT2T1圖2TWR測距原理圖A與B間的距離S仍

6、然是S=CTp?？梢钥闯霰痉椒ú恍枰狝,B間的時間同步，但是需要A,B分別使用本方的時鐘計時，若A,B兩側(cè)時鐘頻率有偏差，將會導致誤差，設(shè)A,B兩側(cè)晶體頻率的誤差為eA和eB(e=)，可以求得其導致的計時誤差為T=eATp+(eA-eB)T2由于A,B間信號飛行時間遠小于數(shù)據(jù)包處理時間，故可以省去上式第一部分得到的誤差為T=(eA-eB)T21.3SDS-TWR算法為了避免雙方式方法中A,B晶體頻率誤差引起的計時誤差，引入SDS-TWR算法。如圖3所示，A對B發(fā)起一輪TWR后，B再對A發(fā)起一輪TWR，由此可以看出信號飛行四次。T1,T3分別為A,B所計時

7、的一輪測距所用往返時間，T2,T4為A,B處理數(shù)據(jù)的時間，得到的單次飛行時間為Tp=(T1-T2+T3-T4)T2BT3T1AT4圖3SDS-TWR測距原理圖與TWR相比，此為兩次TWR法測距，一次由A發(fā)起，另一次由B發(fā)起，由B發(fā)起的測距，引起的計時誤差為=(eB-eA)T4所以兩次測距的總誤差為T總=(T+)=(eA-eB)(T2-T4)對比TOA和TWR可以看出，SDS-TWR大大降低了由晶體震蕩頻率的漂移所引起的誤差。2測距誤差分析對于TOF的測距來說,距離測量誤差主要來源于系統(tǒng)誤差和非視距及多徑效應(yīng)。系統(tǒng)誤差主要是飛行時間的測量誤差，如前面所講的

8、晶振頻率漂移帶來的誤差就屬于系統(tǒng)誤差。如前面所示，SDS-TWR相比TOA和TW