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1、无线网络传感器的测距技术,引言,在无线传感器网路中节点的位置信息对传感器网络应用具有重要的意义，一般而言无线传感器网络的定位技术分为基于距离的定位和不基于距离的定位，在基于距离的定位技术中测距信息的准确度直接影响定位的准确度。测距信息的准确度与测距方法又有着紧密的关系。,常用主要节点间测量距离技术,接收信号强度指示RSSI：根据接收到的信号强度计算路径损耗，再将路径损耗转换成距离。基于时间的方法（TOA、TDOA）：通过信号的传播时间和信号的速度两个参数来计算距离。到达角度AOA：估计信号的到达角度，用几何关系计算节点位置。超声波：主要通过间接测量超声波的发送到反射回来的时间间隔t来计算距离飞
2、行时差测距TOF：主要利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离,最常用,RSSI（Received Signal Strength Indicator）,已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。该技术主要使用RF信号。因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术。缺点：无线信号的反射、多径传播、非视距，天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。所以常将RSSI看作一种粗糙的测距技术，有可能产生+/-50%的测距误差。,信号传播衰减模型,：节点与基站间的距离,0：参考节点与基站（发送
3、节点）之间的距离(d)(d0)分别表示距离d,d0 后的信号强度,n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子，在2-4之间,Go,TOA（Time Of Arrival）,TOA测距法根据信号的传播速度和时间来计算节点间的距离。假设两个节点时间同步,发送节点A在发送信号的同时发送一个同步消息告知接收节点信号发送时间为t0,节点接收信号的同时接收同步消息并记录接收信号的时间t1,则两节点间的距离 c(t1-t0),c为信号在介质中的传播速度.,TOA（Time Of Arrival）,使用T O A 技术检测标签在二维平面的位置，则至少需要3个基 站。标签发射测量信号到达 3个 以上的基站，且必须保
4、证时 间的同步。由于电磁波的传播速率很 高，微小的误差将会在算 法中放大，使定位精度大 大降低。传播中的多径干扰、非视距以及噪声等干 扰造成的误差会使各圆无法交汇，或者交汇处不是一个点而是一 个区域。因此，T O A对系统同步的要求很高，并且需要在信号中加时间戳，而实际参加定位的基站一般在 3个以上，误差是不可 避免的。单纯的T O A 算法在实际中的应用很少。,TDOA（Time Difference of Arrival）,发送节点同时发出射频及超声波两种信号，接收节点根据收到两种信号的时间差来估算距离。,T D O A技术是TOA技术的改进，最早应用于雷达系统，现在 G P S定位系统也
5、采用该 技术。利用 T D O A进行二维空间定位时，待定位位置应是 3个双曲线的交 点，如图，R1，R2，R3为基站传感器,T为待定位标签。标签 在t 0 时刻发出信号，到达 3 个基站的时间分别是t l,t 2,t 3。假设测得的时间差为t 2 1,t 31,基站与终端之间的距离就可以表示为R 2 1=c t 2 l，R 3 1=c t31。终端与基站的坐标为(X0,Y0)与(xi,yi)i=1,2,3.则：,TDOA（Time Difference of Arrival）,特点：精度高（可达到厘米级）传输特性也受环境影响，但较易检测超声传输距离短（传播距离仅为20-30英尺）,受NLOS
6、影响误差来源：超声波的速度对温度的变化非常敏感。如果信标和未知节点问是非视距路径，声波可能绕过物体边缘折射或经过物体的反射后到达节点。超声波(US)传感器不是全方向的,AOA（Angle of Arrival）,通过阵列天线或多个接收器得到信号到达的方向。B1，B2为信标节点。A接收B1，B2发送的信号，以自己的参考轴为准，记录两个信号来源的角度，从而能实现自身定位。,超声波,原理：超生波从发射处到障碍物之间的距离为ct/2(c 为超声波在介质中的传播速度)优点：利用超声波测距很精确，测量误差只有10 cm缺点：超声波是一种声波，而声速c 受环境温度、湿度等因素的影响。另外，测距时需要额外的硬
7、件支持，增加了节点的硬件成本和尺寸。,TOF,原理：A 节点测量出从发送数据包到接收确认的时间,这段消耗总时间记为TT OT 时间;B 记录了B 从收到数据包到B 回应确认消息的这个时间段的时间，记为TT AT。用T TOT 总时间减去周转时间TT AT 就是双方的数据包在飞行中度过的往返时间，记为TRTT 时间。假定在每个方向发生的飞行时间TTO F 等于50%的往返时间，如式(2)所示：当计算出TT OF 后，根据D=T c(T 代表T TOF;c 代表光速，为3108 ms-1)可以计算出节点间的距离。,TOF,两个约束：1、发送设备和接收设备必须始终同步;2、接收设备提供信号的传输时间
8、的长短解决方法：采用时钟偏移量来解决时钟同步问题缺点：TOF测距方法的时间依赖于本地和远程节点，测距精度容易受两端节点中时钟偏移量的影响（采用反向测量法解决）,测距方法小结,各种测距方法比较各种测距方法都有自身的优缺点，单独使用都达不到很好的性能要求，结合不同方法会使性能提高，现实应用中比较经典的结合方法是TDOA和AOA方法的结合。,基于测距技术的定位算法分析,三边测量法（tri-lateration）：通过计算3个圆的交点来定位节点。三角测量法（triangulation）：使用三角函数来计算节点位置。最大似然估计（Maximum-Likelihood estimation）：通过最小化测
9、量距离和估计距离之间的差异来估计节点位置,三边测量法（tri-lateration）,三边测量法（tri-lateration)如图所示，已知A、B、c三个节点坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3，y3)，以及它们到未知目标节点的距离分别为d1,d2,d3。假设目标节点的坐标为(x,y)，那么可以建立右边的公式:求解方程就可以获得目标节点的位置坐标。,三角测量法（triangulation）,已知A、B、C三个节点的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。目标节点D相对于节点A、B、C的角度分别为:ADB,ADC,BDC。,三角测量转化为多边测量,知道参考节点A、B的位置及未知节点D到AB的角度，则D位于以O为圆心,以AB为弧的圆周上，其中AOB=2ADB。对于每一对参考节点A、B，计算出O的位置和半径，列出圆方程，从而将三角测量问题转化为多边测量问题。,最大似然估计定位,于无线传感器网络节点的硬件和能耗限制，通常节点间测距误差较大，因此在使用三边测量法时经常出现三个圆无法交于一点的情况，这时就需要使用极大似然估计近位法。基本原理就是寻找一个使测距距离与估算距离之间差异最小的点，以该点为未知节点的位置。,
