无线传感器网络测距误差分析

张林山，苏应敢，姚建，王彦

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217;2.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 景洪 666100)

0 前言

基于UWB 技术的无线传感器网络具备传统无线传感器网络的优势，将成为下一代无线传感器网络的发展方向。在UWB 无线传感器网络中，位置信息是传感器节点消息中不可缺少的部分，是时间报告、目标跟踪、地理路由、网络管理等系统功能的前提。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布放后实时地进行定位，定位是UWB 传感器网络的基本功能之一。UWB 传感器网络自定位算法主要分为两类:基于测距的算法和非基于测距的算法，基于测距的算法主要有基于接收信号到达时间的TOA(time of arrival)、基于接收信号到达时间差的TDOA (time difference of arrival)、基于到达角度估计的AOA (angle of arrival)和基于接收信号强度估计的RSSI (received signal strength)等，距离无关的定位算法主要有质心算法、凸规划、DV－Hop、Amorphous、MDS－MAP 和APIT［1－3］。

定位能力是评价传感器网络的一个重要指标，它代表传感器网络在各类情况下对自身节点位置判定的准确度水平。评价定位能力的优劣，主要通过描述定位精度的高低来进行，定位精度与采用的定位算法有着密切的联系，而定位算法的精度与各影响因素有着至关重要的联系，因此，本文从传统的基于测距的定位方法入手，分析了影响TOA 测距精度的因素。

1 基于测距的UWB 定位方法分析

在无线系统中，定位一个未知节点涉及收集目标节点和参考节点间无线信号的距离信息。下面将分析TOA、TDOA、AOA 和RSSI 四种方法的优缺点［4］:

1.1 TOA 方法

基于TOA 的定位就是根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后根据距离计算出节点的位置。

基于TOA 的定位精度高，但要求节点间保持精确的时间同步，因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求［5］。

1.2 TDOA 方法

在基于TDOA 的定位机制中，节点同时发射两种不同传播速度的无线信号(常使用RF 和超声波信号)，接收节点通过记录两种不同信号到达时间差异，根据已知信号传播速度，计算两个节点间的距离，再通过已有基本的定位算法算出节点的位置。

TDOA 技术对硬件要求高，成本和能耗使得该种技术对低能耗的传感器网络提出了挑战。但是TDOA 技术测距误差小，有较高的精度。

1.3 基于AOA 的定位

在基于AOA 的定位机制中，接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，再通过三角测量法计算出节点的位置。

基于AOA 的定位不仅能确定节点的坐标，还能提供节点的方位信息。但AOA 测距技术容易受到外界环境影响，且AOA 需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上不适用于大规模的传感器网络。

1.4 基于RSSI 的定位

在基于RSSI 的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到的信号强度，计算出信号的传播损耗，利用理论或经验模型将传输损耗转化为距离，然后计算出节点的位置。

基于RSSI 的定位，因传感器节点本身具有无限通信能力，故其是一种低功耗、廉价的测距技术。它的主要误差来源是环境影响造成的，信号传播模型的建模复杂，反射、多径传播、非视距、天线增益等问题都会对相同距离长生显著不同的传播损耗，因而是一种粗糙的测距技术［6］。

2 基于TOA 定位的误差源

基于TOA 的定位比较简单，在工程应用中容易实现，是目前应用最为广泛的定位方法，下面将对该方法的误差源进行分析，为以后实际应用中的修正提供理论依据。影响TOA 测距的误差源主要有以下几个方面:

1)温度、湿度和大气压:超宽带脉冲信号的传播速度对相对湿度和大气压强不是非常敏感，但对温度的变化确实非常敏感的:在其实验室内，时，测距误差;时，测距误差;时，测距误差;时，测距误差高达。因此，温度是影响UWB 传感器网络中，基于TOA 定位的极其重要的一个因素。

2)多径传播:如果信标节点和未知节点间存在障碍物，及两节点间是非视距路径，那么UWB 信号可能穿透障碍物或经过障碍物的反射到达节点。这两种情况都会引起信号传输更长的距离，从而导致误差。

3)软件处理延迟:接收来自信标节点的消息的软件处理时间，这个时间依赖于处理器的速度。由于所计算的时间要乘上光速，因此，时间上很小的误差，都可能造成很大的测距差，从而导致较大的定位误差。

4)UWB 信号频率和天线增益:UWB 信号在空气中，频率和天线增益越高，功率就越大，精度也就越高，但在空气中衰减会越快，传输距离也越短;反之，信号在空气中衰减就越慢，传输距离也越长，但误差也会更大。电池的不足也会造成测距误差。

5)电磁干扰:电磁干扰会对信号发送和接收有较大的影响，使得信号在不同角度上的信号差异比较大，从而造成相应的误差。

3 结束语

本文分析了基于接收信号到达时间的TOA(time of arrival)、基于接收信号到达时间差的TDOA (time difference of arrival)、基于到达角度估计的AOA (angle of arrival)和基于接收信号强度估计的RSSI (received signal strength)的优缺点，并在此基础上分析了影响TOA 定位精度的误差源，为今后UWB 无线传感器网络中TOA 定位的校正及参数修正提供了一定的理论依据。

［1］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005:140－155.

［2］陈元元，姚佩阳.基于TOA 的传感器网络等位误差几何分布研究［J］.通信技术，2009，42 (10):63－68.

［3］史龙，王福豹，段渭军，等.无线传感器网络Range－Free自身定位机制与算法［J］.计算机工程与应用，2004(23):126－130.

［4］张华，宋正勋，石云，等.基于超宽带的TOA 定位技术研究［J］.吉林大学学报(信息科学版)，2006，26 (1):106－110.

［5］POOR H V.An Introduction to Signal Detection and Estimation ［M］.2thed.New York:Springer－Verlag，1994

［6］QI Y，KOBAYASHI H.On Relation Among Time Delay and Signal Strength Based Geolocation Methods ［C］Global Telecommunications Conf (GLOBECOM03).San Francisco，CA:［s.n.］，2003，7:4079－4083.