strengthen无线传感器网络中TOF测距算法

无线传感器网络中

TOF

测距算法

在无线传感器网络

(W ire less Sensor Network, WSN )

中节点

的准确定 位对传感器网络应用具有重要的意义。

根据定位过程中是否

测量 实际节点间的距离

,

可将定位算法划分为与距离无关的定位算法

和基于距离的定位算法。与距离无关的如质心算法

,

DV

2Hop

算法

, APIT

,

其特点是定位简单

,

对节点硬件条件要求低

,

但定 位精度较差；基于距离的定位算法包括基于信号飞行时间时间

( TOF),

基于到达时间差

( TDOA ),

基于到达角度

(AOA )

，基于信号

接收强度

( RSS < /p>

的定位算法等等。通常来说

,

它们对节点 硬件要求较

高

,

能耗较大

,

但具有较高的定位精度。

基于测距的方法定位是利用锚节点和未知节点的几何关系来确

定未知节点的位置，

通过未知节点与三个或三个以上的锚节点距离信

息，再根据三边测量 法或最大似然估计法可以求得未知节点的位置。

所以其关键是 准确测量出未知节点与锚节点的距离

,

本文主要分析

的测距方法。

1

测距算法

基于信号飞行时间的测距算法有：到达时间法

( TOA

，

time of

arrival )

、双方式法

( TWR

，

tow way ranging )

、对称双边双方式

法

( SDS- TWR

，

symmetric double-sided two way ranging)

等。

1.1 TOA

算法

一对装有无线收发器的节点

A

、

B

可以通过电磁波信号从

A

传播到< /p>

B

所用的时间来估算。图

1

为到达时间法的信号传播示意图。设移动节

点

A

在双方约定的时刻发出测距信息，

节点

A< /p>

在发送的信号中包含一个

同步消息，

告知 节点

B

信号发送的时间

T0

节点

B

接受信号的同时 接收

同步消息，并记录接收时间

T1

， 则信号飞行时间

Tp=T1-T0

。设电磁波

< br>在大气中传播速度为

C( 3

离可以估算为

S=C

Tp

TOA

测距的关键是节点

A

与节点

B

时 间必须要严格同步。电磁波的速度

为

3

m/s

，如果双侧时钟误差为

1ns

， 测量距离误差即为

0.3m

。

),< /p>

飞行时间为

Tp,

节点

< br>A

与

B

的距

如果要求测距误差为

1m

，则允许双侧的时钟误差不超过< /p>

3ns

。

A

Tp

图

1 TOA

测距原理图

B

考虑到当

A

到达

T0

时刻时，节点

A

将包含发送时刻

T0

的数据包调制到

信号波上的时间为

T

，时间

T

为一个可测常量 ，故实际信号飞行时间

Tp

实

=T1-T0-T

实际距离

S=C

Tp

实

。

TOA

的误差主要来源于

A

，

B

节点时间不同步的误差和

B

节点晶振频率漂

移导致计时时间

T1

< br>不准的误差。

可以选择频率高稳定性高的晶振来减

小频率 漂移的误差，

但相对的能耗和费用就会增加。

下面分析频率漂< /p>

移带来的误差。

在节点

A,B