短距离高精度无线定位方法的研究及实现

短距离高精度无线定位方法的研究及实现

王侃磊张倩胡爱群

东南大学信息安全研究中心，南京，２１００９６

摘要节点定位作为无线传感网络的关键技术，已成为国内外的研究热点。

本文首先对当今无线定位技术进行了介绍，现有的技术在短距离定位上精度不

够；然后针对两种定位测距技术进行改进，提出了基于信号相关性的ＴＤＯＡ测

距方案和基于信号变频反射的ＴＯＡ测距方案；接着对这两种方案进行了仿真

实验，讨论了各自的优缺点；最后得出了基于信号变频反射的ＴＯＡ测距方案更

适合应用于短距离高精度无线定位系统的结论。

关键词定位ＴＤＯＡ变频反射ＴＯＡ

一、引言

无线传感器网络（ＷｓＮｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ），是由众多感知、计算和通信能力的传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统。无线传感器网络被评为对２１世纪产生巨大影响力的技术之一，其应用遍布生活各个层面，特别在国防和重大灾害事件监测等领域。节点定位技术是无线传感器网络应用的关键支撑技术，在目标的定位和跟踪以及提高路由效率等方面都发挥着重要的作用。它能够间接提升无线Ａｄｈｏｃ网络路由的有效性；利用基于节点位置的网络协议，能够进一步减少网络节点的数量。因此，定位算法的研究对传感器网络的有效性起着关键作用［１］。

目前，户外系统中使用较为广泛的有全球定位系统（ＧＰＳ，ｇｌｏｂａｌ

ｔｅｒｎ），但是ＧＰＳ系统不适合用于无线传感网络，原因包括：

１）卫星信号无法穿透建筑物，无法在室内环境中使用。

２）ＧＰＳ定位精度无法达到定位要求。

３）传感网络能量有限，需要对ＧＰＳ系统进行特殊设计。

其他的定位技术可分为基于测距的定位算法和与距离无关的定位算法。基于测距的定位算法通过测量节点间点到点的距离或角度信息，使用基本计算方法计算节点位置，典型算法有ＴＯＡ（ｔｉｍｅ

ｎａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆａｒｒｉｖａｌ）、ＴＤＯＡ（ｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓ－ａｒｒｉｖａｌ）和ＲＳＳＩ（ｒｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇ－ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）［２３；与距离无关的定位算法则无需距离和角度信息，仅根据网络的连通性等信息即可实现，常用的算法包括ＤＶ－ｈｏｐ，ＡＰＩＴ等。基于测距的定位算法对节点硬件配置的要求比与距离无关的算法要高，但其定位精度优于与距离无关的算法，因此更适合短距离（ｏ～１００ｍ）定位精度要求较高的环境。其中，基于ＲＳＳＩ的定位算法定位误差大，受环境影响严重，文献Ｅ３３中提出最小二乘拟合法、信号强度分布法以及混合定位法，定位精度可以提高到２ｍ以内，但是定位范围仅有ｌＯｍ。文献［４］中提出基于ＲＳＳＩ和ＬＱＩ的动态距离估计算法，通信距离在１０～８０ｍ，定位误差在１０ｍ左右，通信距离大于８０ｍ，定位误差在７ｍ以下。针对短距离高精度的定位环境本文提出基于ＴＤＯＡ和ＴＯＡ

的定位算法的两种定位方案，并对这两种方案进行仿真测试。

二、基于测距的定位方案研究

１．基于信号相关性的ＴＤＯＡ定位方案

（１）原理概述

同一直线上的移动终端在两个固定的接收机之间发射无线信号，两端的接收机接收到信号的时间和相位是不同的，其差异反映了移动终端的位置信息。图１是ＴＤＯＡ测距的系统原理图。通过测量两个接收机Ａ、Ｂ接收信号时间差或相位差，能够得到移动节点Ｄ的位置信息。

图１ＴＤＯＡ测距系统原理图

相位较时间放大了很多，工程上易于实现，但是相位是与频率相关的，且以３６０。为周期，超出了这个范围就存在相位模糊的问题。相位的测量通常通过测量ＲＳＳＩ值实现，容易受环境的影响，测量精度较低。利用时差定位可以避免相位模糊的问题，但是直接测量到达两个接收机时间差是十分困难的，在５０ｍ的测距范围内，最大的时间差仅有１５０ｎｓ。如果移动节点位于两接收机中点附近，则接收机接收到信号的时间差值更加微小，通过计时来精确计算移动节点位置是比较困难的。

利用信号的相关性间接可以得到两信号到达时间差。对两端接收机接收到的基带信号进行异或。异或信号与两信号到达的时间差相关，时间差的不同直接导致异或信号脉宽不同。但是，在１０ｍ测距的范围内，异或信号的脉宽在０～３００ｎｓ之间，对这样的单个信号的测量在硬件上是几乎无法实现的。通过对多个异或信号积分，积分值的大小对应异或信号的脉宽，可以得到信号到达时间差，从而得到移动节点的位置信息。图２～图５是对接收信号进行异或、积分的波形示意图。

口（￡）是Ａ端接收到的基带信号，它其实是发射端发射的基带信号的Ａｚａ延时，６（￡）也一样，其延时值为Ａｔｂ。ｃ（ｚ）为口（￡）异或６（ｆ）：波形，在每个基带信号的跳变处会产生两个窄脉冲，每个窄脉冲宽度为ＩＡｔａ—ＡｔｂＩ。把这些脉冲积分后就能得到图５中ｉ（￡），由此能测出距离。

图２接收信号口（￡）图３接收信号６（￡）

１．山０ＪｕｌＬ：

图４口（￡）、６（￡）异或后信号ｃ（ｆ）图５积分信号ｉ（￡）（２）方案设计及实验仿真

基于接收信号相关性的ＴＤＯＡ定位系统结构如图６所示。接收机Ａ、Ｂ为固定端，移动节点Ｄ为移动端。计算中心位于两接收机中点处，通过有线方式与两个接收机相连。移动节点在Ａ、Ｂ之间移动，间断地向Ａ、Ｂ发送射频信号。

图６基于信号相关性的系统框图

测距过程如下：

１）移动节点Ｄ向接收机Ａ和Ｂ同时发射ｎ个周期的数字调制波。

２）接收机Ａ、Ｂ接收Ｄ的信号、解调，然后将解调的数字信号通过有线方式发送到计算中心Ｃ。

３）计算中心Ｃ用ＣＰＬＤ对接收的两路信号进行异或，产生咒个窄脉冲，并判断Ａ、Ｂ信号到达的信后顺序。

４）积分器对咒个异或窄脉冲进行积分。

５）单片机根据积分值计算Ａ、Ｂ接受的信号的时间差，进而计算Ｄ的位置。本文采用ＳｙｓｔｅｍＶｉｅｗ平台对系统进行仿真。在信道中引人功率谱密度为ｎ。的加性高斯白噪声。对Ａ、Ｂ接收的基带信号异或后积分，根据不同的积分值可以得到Ａ、Ｂ接收的信号时间差，即移动节点发送信号到达接收机Ａ、Ｂ的时间差。实验分别引入噪声功率谱密度为５０×１０＿１５Ｗ／Ｈｚ和１００×１０．１５Ｗ／Ｈｚ和加性高斯白噪声，分别对５、１０、・８０８・

１００个周期的异或信号进行积分，最后根据积分值计算Ａ、Ｂ的时间差，如图７和图８所示。

乓

粕

魃

嘲

窝

ｊ｜｝｜ｊ

扈

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实际接收时间差／魑

图７功率谱密度为５０×１０＿１５Ｗ／Ｈｚ时的测量误差（ｎＳ）

图８功率谱密度为２００Ｘ１０－１５ｗ／Ｈｚ时的测量误差（Ｉｌｓ）

测试结果表明，该系统的理论测距精度在ｌｍ以内。通过不同噪声环境下的仿真结果可见在噪声比较大的时候误差也比较大。在同一噪声环境下，时间差越长，信噪比越低，因而误差越大。

在不同噪声环境下：小噪声情况下，积分周期少时误差比较小；大噪声情况下，积分周期越长误差越小。对应实验，１００个周期时测量误差比较小。这是因为，在引入高斯白噪声的信道中，积分既会将噪声平均使其影响减小，也会将噪声误差累积使其影响更加明显。仿真试验表明，在噪声比较小的环境中，积分的误差累计效果更加明显；在噪声比较大的环境中，积分的噪声平均效果更明显，因此适宜对多个异或信号积分。

两个接收机信号前后顺序的判断效果对定位精度也有很大的影响。本系统中使用ＣＰＩ。Ｄ逻辑判断两信号的前后顺序，然而，实际的ＣＰＩ。Ｄ芯片内部都存在逻辑门延时，如果两接收机信号的时间差小于等于芯片内部逻辑门延时，则无法判断两接收机接收信号的前后顺序。所以，该定位系统无法对位于中点附近的移动节点准确定位。

在确定噪声环境和异或信号积分周期的情况下，芯片逻辑门延时和对积分值的分辨・８０９・

率决定了定位的精度。系统通过有线进行数据的传递，降低了系统的安全性、鲁棒性，布设成本比较高。

２．基于变频反射的ＴＯＡ定位方案

（１）原理概述

ＴＯＡ是最直接的无线定位技术。基于信号到达时间定位的基本方法是测量基站到移动终端发射信号的时间进而计算移动终端到基站的距离。图９给出了ＴＯＡ测距的原理图。剖～垴

图９ＴＯＡ测距的原理框图

Ｌ—ｔ×Ｃ基站发射电磁波，同时开始计时，电磁波在空中传播后，移动终端接收到电磁波，同时停止计时。计时结果是电磁波从发射机到接收机所传播的时间ｔ。于是，发射机到接收机之间的直线距离Ｌ可以用下式求得，即（１）

其中，ｃ是电磁波在空中传播速度，接近真空中光速，约为３×１０８ｍ／ｓ。

如果能够精确得到ｔ，就能够对移动终端精确测距。由于电磁波在的传播速率非常快，仅需３００多纳秒即可传播１００ｍ的距离，所以要在短距离中实现精度小于ｌｍ的精确定位，需要能够达到３ｎｓ的分辨率。

另一方面，采用传统ＴＯＡ定位方案要求基站和移动终端严格时间同步。利用协议通信能够实现移动端与基站保持同步，然而，大多数同步技术产生的同步误差在几微秒到几十微秒之间［ｓ］。１肛ｓ的同步误差会产生３００ｍ的定位误差，因此利用协议同步可行性非常低。

本文提出利用电磁波“反射”测距的方案，基站控制信号的收发以及计时器的开始和结束。移动端收到电磁波后再回传电磁波，当基站接收到回传的电磁波后立即停止计时，通过计时得到的值ｔ能够得到两端的距离Ｌ

Ｌ一（￡一ｔｏ）／２×ｆ（２）

其中，ｔ。是电磁波在移动终端内部的延时，它包括电磁波在经过滤波、低噪声放大、解调等内部电路处理的延时。通常，对固定的电路、特定的调制方式的无线信号，ｔ。可以认为是一个常量。

移动终端需要判断是否已经接收到无线信号，就要求无线信号中具有调制的信息，并且对该信息进行解调。假设在信号中调制５００ｋｐ／ｓ的信息，接收到ｌｂｉｔ信息需要２弘ｓ。同样，对于短距离测距来说２弘ｓ是无法接受的，且其波特率的误差直接影响到测量误差。为了把这个误差消除，提高定位精度，本文提出了变频反射的思想，解决了这个问题。图１０给出了基于变频反射的ＴＯＡ系统方案图。

在计时端，单片机控制计时的开始以及信号的发射。移动端不对信号进行解调，仅对信号进行变频处理，仍然保持着原有的调制方式，因此可以看作把无线信号直接“反射”回・８１０・

ｆｌ

——。盔．一

ｆ２

——吃．一

图１０基于变频反射的ＴＯＡ系统方案图

去。这种基于反射思想的处理，使得信号在移动端处理的不确定延时降到了最低程度，增加了信号在空中的传输延时占总延时的比重，从而极大地提高了定位精度。计时的控制放在同一端，也可以回避同步的问题。

（２）方案设计及实验仿真

系统由基站、移动终端组成。基站控制信号的收发以及计时器的开始和结束。

测距过程如下：

１）基站开启计时器，同时发射频率是４３３ＭＨｚ的ＯＯＫ信号。

２）移动终端由接收４３３Ｍ射频信号，然后与１１８ＭＨｚ本地振荡混频，实现对基站信号的变频，变频后产生频率为３１５ＭＨｚ的（）ＯＫ信号。

３）移动终端发射变频后的信号，完成信号的“反射”。

４）基站接收移动终端的射频信号，解调，同时停止计时器。

同步精度和时间测量误差是影响ＴＯＡ测距精度的关键。计时器和信号收发都在同一端，解决了同步的问题。时间测量方面，如果用单片机进行定时，由于单片机最短测时时间与其工作频率有关，工作频率在２５ＭＨｚ的单片机最短能够测量４０ｎｓ的时间，即测距为１２ｍ，无法满足系统的要求。

本方案采用了ＴＤＣ－ＧＰ２芯片完成定时功能。ＴＤＣ－ＧＰ２是德国ＡＣＡＭ公司生产的计时芯片，ＴＤＣ－ＧＰ２以信号通过内部门电路的传播延迟进行时间测量的，具有５０ｐｓ的高分辨率。ＴＤＣ－ＧＰ２采用双时钟，并引入时钟校验，因此在校验时钟稳定的情况下，时间测量精度比较高。

在一维巷道模型中，多径等因素是不能

忽略的，可能会造成测距的误差。本文采用

ＳｙｓｔｅｍＶｉｅｗ平台对系统进行仿真，考虑了

多径因素并对传输信道引入加性高斯白

噪声。

信噪比与移动终端位置的关系曲线如

图１１所示。由此可见信噪比随着被测距离

的增大而急剧地下降。图１２是仿真所显示

的测距误差与被测距离的关系。当被测距

离小于２０ｍ时误差在１０％以内，然而随着

距离的增大，误差急剧地增大。这是因为系图１１信噪比与距离的关系曲线・８１１・

统采用ＯＯＫ数字调制方式，ＯＯＫ调制方式

的误码率受噪声影响比较大。因此随着距离

增大，信噪比逐渐减小，测距误差逐渐增大。

从仿真结果表明接收信号的信噪比在一

莲

槲

蝼定程度上影响测试结果的误差。为了减小误差，需要研究一种更精确的信号到达判断方

法，或者更换一种调制方式，使其判断信号到

达的时间受信噪比影响较小。

另一个误差来源是移动端的本地振荡，

距离／ｍ其振荡信号的初始相位无法预测，与信号的

载波存在相位误差，导致不同时间“反射”回

来信号的相位变化值不一致。图１２测距误差与距离的关系曲线

本方案采用了“反射”的思想，减少了非传播延时，使短距离测距采用ＴＯＡ的方法变得可行。在固定端可以把解调部分做得复杂，而移动端只需完成“反射”功能，模块较小，因此总体上本方案十分适合在无线定位系统中应用。

三、结束语

随着无线传感网络的广泛应用，节点定位作为其关键支撑技术，已成为国内外的研究热点。本文针对现有的两种测距定位技术进行改进，提出了基于信号相关性的ＴＤＯＡ测距方案和基于信号变频反射的ＴＯＡ测距方案。

ＴＤＯＡ测距方案将测量两个接收机信号时间差的问题转化成测量两信号异或积分值的问题，有效地解决了同步难以实现和时间测量精度低的困难，理论精度比较高，但是当移动终端在两接机中间及附近时，则无法准确测距。在实际情况中，由于温度湿度的影响易对积分器引入而外的误差，且误差是不可预测的，而且系统通过有线进行数据的传递，降低了系统的安全性，鲁棒性，布设成本高。

在ＴＯＡ测距方案中基站同时控制信号的发射以及计时器的开始和停止，能够有效地解决ＴＯＡ中同步的问题。移动终端将基站信号变频后反射给基站，极大地减少了信号在非传播过程中的延时。计时芯片的高分辨率和双时钟保障了测时精度。该方案的误差主要由移动端的本地振荡信号初始相位不可预测和（）（．）Ｋ信号解调误差引起。理论测距精度比ＴＤＯＡ测距方案低一些。

综上所述，ＴＯＡ的测距方案更适合短距离的无线测距系统。通过提高接收信号的信噪比或者探索其他的调制方式以减小信噪比对误码率的影响，能够进一步提高系统的测距精度。

参考文献

［１］孙利民，李建中，陈渝，朱红松．无线传感器网络．北京：清华大学出版社，２００５．

［２３段渭军，王建刚，王福豹．无线传感器网络节点定位系统与算法的研究和发展．信息与控制，２００６，３５（２）：２３９—２４５．・８１２・

［３３孙佩刚，赵海，罗玎玎，张晓丹，尹震字．智能空间中Ｉ≈ＳＳＩ定位问题研究．电子学报，２００７，３５：１２４０－－－１２４５．［４］张洁颖，孙懋珩，王侠．基于ＲＳＳＩ和ＬＱＩ的动态距离估计算法．电子测量技术．２００７，３０：１４２—１４５．Ｅ５３ＩＥＥＥ１５８８．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＣｌｏｃｋＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＮｅｔｗｏｒｋｅｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ．２００２．

ｈｔｔｐ：／／ｉｅｅｅｌ５８８．ｈｉｓｔ．ｇｏｖ．

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅ

ＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＬｏｃａｔｉｏｎ

ＫａｎｌｅｉＷｉｒｅｌｅｓｓＭｅｔｈｏｄＡｉｑｕｎＨｕＷａｎｇＱｉａｎＺｈａｎｇ

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｅｃｕｒｉｔｙＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００９６

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ａｒｅｐｌａｎａｒｌｏｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｓｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｎｏｔｐｒｅｃｉｓｅｅｎｏｕｇｈｉｎｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅ

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ｌａｔｉｏｎｔｏｏｕｔｓｉｒｎｕ－ｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ

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ＫｅｙｗｏｒｄｓＬｏｃａｔｉｏｎＴＤＯＡＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＴｏＡ・８１３・

短距离高精度无线定位方法的研究及实现

作者：

作者单位：王侃磊， 张倩， 胡爱群东南大学信息安全研究中心，南京，210096

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