UWB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

1、uwb的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)在無數(shù)無線網(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)測到大事發(fā)生時，關(guān)懷的一個重要問題就是該大事發(fā)生的位置，如森林火災(zāi)監(jiān)測，自然氣管道泄漏監(jiān)測等。這些大事的發(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大事發(fā)生的地點(diǎn)外，還可用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測、幫助路由以及網(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

2、點(diǎn)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測距、定位應(yīng)用中，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用，并己經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際物資供給跟蹤定位中。uwb信號具有十分寬的帶寬，將其應(yīng)用于toa定位辦法有助于實(shí)現(xiàn)較高的測距精度。然而，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境經(jīng)常浮現(xiàn)多徑干擾，此時uwb直達(dá)信號難以精確檢測。因而，本文提出了通過含糊規(guī)律技術(shù)對首次到達(dá)信號時光和最強(qiáng)信號時光舉行加權(quán)來得到直達(dá)信號到達(dá)時光的辦法，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距離估量辦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測距的距離估量根均方差：其中，s(f)為發(fā)送的傳輸信號的

3、傅立葉變換。明顯，估量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，估量的根均方差越小。因?yàn)閡wb信號帶寬十分寬，uwb無線信號應(yīng)用基于時光的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相對精確的定位。普通狀況下，toa定位辦法是利用檢測接收信號中的直達(dá)路徑的到達(dá)時光，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)時光的精確估量是至關(guān)重要的。本文所研究的節(jié)點(diǎn)定位辦法針對的是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。普通來說，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)時光，但是這種辦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1所示。直達(dá)信號(direct path)并非首次到達(dá)信號(fi

4、rst path，與門限有關(guān))或幅度最強(qiáng)信號(strongest path)，因此在這種狀況下，用法首次到達(dá)信號或幅度最強(qiáng)信號的到達(dá)時光都不能精確估量放射端節(jié)點(diǎn)和接收端節(jié)點(diǎn)之間的距離。可以利用最大似然估量法檢測直達(dá)路徑信號的到達(dá)時光來計算傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，但在復(fù)雜多徑環(huán)境下簡單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)信號時光和最強(qiáng)信號時光舉行加權(quán)來得到直達(dá)信號到達(dá)時光，其加權(quán)系數(shù)由含糊規(guī)律技術(shù)獲得。3 基于含糊規(guī)律的權(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)時刻分離為tf和ts，而

5、直達(dá)信號到達(dá)時刻通過下式計算：其中c=3108ms，為信號在自由空間的傳揚(yáng)速度。這里用法含糊規(guī)律技術(shù)來選取權(quán)值a。設(shè)首次到達(dá)信號和幅度最強(qiáng)信號的幅度分離為ef和es，并定義e=|ef|es|，tr=(tf- t0)(ts-t0)。er和tr為含糊規(guī)律函數(shù)的輸入，a為輸出。er、tr和a分離定義了低、中、高3個值。挑選a值的規(guī)章如表1所列。4 分析對測得的多徑環(huán)境下的uwb接收信號辦法的測距精度舉行驗(yàn)證，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，對節(jié)點(diǎn)舉行定位。er，tr和a的隸屬函數(shù)2所示。取放射信號時刻t0=0，在接收端分離記錄下首次到達(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。分離計算出含糊規(guī)律的輸入值er、ts，按照隸屬函數(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)際距離分離為620、288、946，利用三邊測量法可以獲得節(jié)點(diǎn)的位置，如表