基于无线电相干的传感器网络节点定位

海小娟,梁宏倩

(西安文理学院，陕西西安，710065)

基于无线电相干的传感器网络节点定位

海小娟,梁宏倩

(西安文理学院，陕西西安，710065)

目前无线传感器网络节点定位算法中，能够兼顾高精度和远距离定位的算法只有RIPS方法，然而该方法利用汇聚节点进行集中定位。提出了一种基于无线电相干的角度估计算法，并分布式定位节点，在高精度、远距离定位节点的同时，可大规模应用该算法，且定位速度快。实验表明，该方法平均方位估计误差是3.20，90%的测量值误差在6.4度以内。

无线电相干；角度估计；节点定位

0 引言

无线传感器网络（WSN）是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。目前一般的定位方法都是依靠声音或者无线电波这两个媒介来定位，但他们都有明显的缺陷。基于精确测距的技术（典型的有声音定位）其测量距离有限，并且受到方向限制。使用无线电波定位的方法通常依靠接收信号强度（RSS），该方法在短距离上相对比较精确，但是几米之外就不是很准确了。利用对射频干涉信号的相位测量提出一种RIPS方法,可以实现高精度远距离定位,然而该方法利用汇聚节点收集相位测量结果并进行集中定位，显然,系统的扩展性将受到节点数量的制约。

1 无线电相干

无线电相干利用两个发射机直接产生相干信号。如果两个发射机的频率几乎相同，则合成信号一定含有一个低频包络，该包络信号能被低频RF芯片使用RSSI来测量。相位差依靠许多因素，包括传输起始时间。然而，两个接收机之间的相对相位差只依赖于两个接收机和两个发射机的位置以及载频波长。

建模无线电RSSI电路：RSSI信号是进来的信号经过混频到中频后的用dBm表示的功率。之后低通，低通频率是fcut。用r（t）表示低通滤波后的信号。

2 角度估计及定位

将上面的A、B、C三个节点放在一起形成一个天线阵列。A、B两个节点发射频率相近的正弦波来相干产生一个低频beat信号。在第三个阵列节点C和目标节点D测得的相位差是后者位置的双曲线函数。假设阵列的中间点位置已知，阵列的各个天线到

中间点的距离已知。该阵列包括三个节点，一个主控节点（M）和两个辅助接点（A1，A2），如图1所示。在预先确定的时间，M和A1发送频率相近的两个正弦波，这两个波相干产生一个低频beat信号，该信号的相位通过A2和一个接收节点R来测量。

图1 角度估计示意图

双曲线方程为：

利用两组不同位置的天线阵列，求出两个角度值，根据几何图形利用三角公式即可求出节点R的位置。

3 节点设计

一般传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括 CPU 、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分，如图2所示。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

图2 传感器网络节点结构示意图

本节点只用来验证算法的有效性和定位精度，不需要传感单元、移动系统及电源自供给系统。处理器模块采用的是AtmelAVR系列的一款8位处理器ATmega128L,其时钟频率为7.3728MHz,具有128K字节的系统内可编程Flash、4K字节的SRAM,以及六种可以通过软件选择的省电模式。无线收发模块采用的是Chipcon公司的CC1000无线射频模块,其通信频率为433MHz。在基于事件驱动的操作系统TinyOS开发环境上,利用组件化/模块化的nesC语言,完成定位系统及算法的设计和实现。

4 实验验证

通过两个实验来验证。在实验1中，测量六个接收节点的方位精度，他们围绕天线阵列每隔60度放置一个，距离中心点10米。这个实验确认天线阵列方向性如何影响方位误差。在实验2中，测量14个接收节点，这些节点分布于方形区域内，区域外围分布三个天线阵列。实验设置如图3所示。

图3 实验设置

在实验1中对每个节点执行50次方位估计。平均方位误差显示在图4a中。对于实验2，每个接收节点从每一个锚节点到接受节点分别执行35次方位估计，每一个接收节点共接受105个估计，一共是1470个估计。图4a显示了实验1中每一个方位的误差。图4b显示的是分布式的方位估计误差。平均方位估计误差是3.20，90%的测量值误差在6.4度以内。

图4 实验误差示意图

5 结论

基于无线电相干技术，提出一种分布式可大规模应用的角度估计定位算法。该定位方法定位精度高、距离远，并且因为各个目标节点自身定位，所以该方法是分布式的、可大规模应用的，且速度快。下一步的工作是利用角度信息优化位置估计。

Y. Kwon, K. Mechitov, S. Sundresh, W. Kim and G. Agha,Resilient localization for sensor networks in outdoor environments, Technical Report UIUCDCS-R-2004-2449, Department of Computer Science, University of Illinois at Urbana Champaign, 2004.

海小娟.女.1980年出生.陕西宝鸡.讲师.研究方向：计算机科学与技术

Node localization in sensor networks based on wireless coherent

Hai Xiaojuan,Liang Hongqian
(Xi’an University of Arts & Science,Xi’an,710065,China)

At present,wireless sensor network node positioning algorithm,capable of both high precision and long distance positioning algorithm only the RIPS method, however,the sink node centralized location. An estimation algorithm is proposed based on the perspective of radio interference,and distributed node localization,in the high accuracy, remote location nodes at the same time,large-scale application of the algorithm,and the positioning speed. Experiments show that,the average estimation error is 3.20,90% of the measurement error in 6.4 degrees.

radio interference;angle estimation;node localization

TN98

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