RSSI及TOF測距技術(shù)及仿真研究

黃曉冬，劉曉娣，丁兆明

（1．海軍航空工程學院 a．科研部；b．電子信息工程系，山東 煙臺 264001；

2．92664 部隊，山東 青島 266031）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器節(jié)點實時監(jiān)測目標對象信息，并將處理后的信息以無線方式傳送到用戶端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些節(jié)點被破壞后或新的節(jié)點加入后，并不影響剩余的節(jié)點，節(jié)點依然能自組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，這樣即使在條件極差的環(huán)境中節(jié)點依舊能夠正常工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在精確制導和火炮控制中進行準確的目標定位，向指揮中心提供目標的實時位置信息，從而實現(xiàn)對目標的精確打擊[1-2]。本文僅研究了其中的RSSI及TOF測距技術(shù)，并比較這2種測距技術(shù)在不同范圍內(nèi)的測距效果。

1 RSSI 測距技術(shù)

通過接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度，計算出信號在傳播過程中的損耗，利用信號衰減和傳播距離之間的關(guān)系計算出節(jié)點間的距離[3-4]。

自由空間無線電傳播路徑損耗模型如下：

式(1)中：一般d0取1 m；k為路徑衰減因子，一般取2~5；f為頻率，單位為MHz。

在實際環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，通常采用對數(shù)—常態(tài)分布模型路徑損耗描述：

式(2)中：PL0/dBm為經(jīng)過參考距離d0后的路徑損耗，PL(d)/dBm為經(jīng)過距離d后的路徑損耗，Xσ為均值為0、標準差為4~10的隨機變量，服從高斯分布。

未知節(jié)點接收的信號強度值可由下式得到：

式中，Pt為信號發(fā)送時強度。

IEEE802.15.4 簡化的信道的數(shù)學模型[5]如式(4)所示，并且該模型如圖1 所示。

圖1 IEEE802.15.4簡化信道數(shù)學模型圖

實際環(huán)境中，根據(jù)基本的原理模型和基于大量實際測試的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來建立RSSI與距離的模型方程，故RSSI與實際距離間的關(guān)系可簡化為

式(5)中，c1和c2根據(jù)具體環(huán)境改變而產(chǎn)生變化，只要能夠較準確地確定c1和c2的值，就能夠得到較準確的RSSI 與實際距離的關(guān)系。

2 TOF 測距技術(shù)

TOF測距通過無線信號的傳播時間來測量節(jié)點間的距離[6]，電磁波是TOF測距中使用的能量波，測距原理是：發(fā)送節(jié)點發(fā)送信號，當接收節(jié)點接收到該信號后，將包含時間參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息回發(fā)給發(fā)送節(jié)點。

TOF測距時間可以由下式描述

式(6)中：TOT為能量波傳播往返的時間；TxD為接收延遲時間；RxD為發(fā)送延遲時間；TAT為接收節(jié)點收到發(fā)送節(jié)點信號與回發(fā)信號之間的周轉(zhuǎn)時間，為遠距離補償時間；L為近距離補償時間。

通過TOF 測量時間和電磁波傳播速度就可以計算出TOF 測量距離值[7-8]：

式(7)中：Dis為測量距離值；c為電磁波在空氣中的傳播速度，通常取3×108m/s。

RSSI 測距技術(shù)能量消耗低、成本低廉且易于實現(xiàn)，但由于信號隨著距離增加衰減厲害，因而RSSI測距技術(shù)在遠距離測量中精度不高，是一種比較粗糙的方法。TOF 測距技術(shù)采用電磁波作為其能量波，傳播速度快，傳播射程遠，在遠距離測量中測距精度非常高，但是在近距離測量中測距誤差較大[9-10]。

3 基于TOF 和RSSI 的測試仿真

為了獲取一個有實際意義的信號強度值RSSI與距離關(guān)系的模型方程，并由此計算出RSSI 模式下的測距值，再與TOF 模式下的測距值比較，實際進行了測試研究。

本實驗進行實測數(shù)據(jù)采集，2 個節(jié)點距離范圍從0~300 m。采用不同的距離間隔測量2 組數(shù)據(jù)：0~10 m，每隔0.2 m 測一次，每次采集200 個數(shù)值；10~300 m，每隔10 m 測一次，每次采集200 個數(shù)值。在Matlab 中進行計算，將每次采集的200 個值的平均值進行擬合，得到不同范圍內(nèi)RSSI 測距擬合曲線如圖2 所示。

得到的2 段擬合曲線的方程式如下：

圖2 RSSI測距擬合曲線

通過每次采集到的TOFps 值的平均值結(jié)合式(7)中解算出TOF 模式下對應(yīng)的距離值，通過每次采集到的RSSI 值的平均值結(jié)合式(8)中解算出RSSI 模式下對應(yīng)的距離值，然后比較分析2 種模式下的測距值，得到不同范圍內(nèi)的測距值如圖3 所示。

圖3 TOF和RSSI測距值比較

從圖3 a)中看出，在近距離(0~10 m)，TOF 測距值偏離真值較大，發(fā)散性很大，RSSI 測距值偏離真值較?。粡膱D3 b)中看出，在遠距離(10~300 m)，TOF 測距值偏離真值較小，而RSSI 測距值的發(fā)散性很大。從這2 幅圖還不能直觀地分析出2 種模式測距效果，下面通過不同范圍內(nèi)的測距誤差進行分析，圖4 所示為2 種模式測距誤差比較。

圖4 TOF和RSSI測距誤差比較

圖4 a)、4 b)所示分別為2 種不同模式下的測距誤差圖，可以更加直觀表現(xiàn)出2 種測距模式在不同距離范圍內(nèi)的優(yōu)劣勢。在近距離(0~10 m)，TOF 測時測距的誤差相對偏大，而近距離的RSSI 信號強度較強、變化比較明顯，誤差基本在零基準線上下浮動，誤差很小。因此，在近距離測距可以采用RSSI定位為主，TOF 定位為輔。在遠距離(10~300 m)，TOF 測距的精度很高，在200 m 以后TOF 測時測距的相對精度在5%以內(nèi)，TOF 測距的誤差趨勢，存在一定范圍的零偏，相對誤差隨著測量距離的增大而減小，而遠距離RSSI 測距誤差很大，故遠距離測距可以采用TOF 定位為主，RSSI 定位為輔。

綜合上述分析，在近距離內(nèi)RSSI 測距精度更高，發(fā)散性更??；在遠距離內(nèi)TOF 測距精度更高，發(fā)散性更小，所以在后繼研究中可以融合這2 種測距模式下的測距值，使得測距估計最優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文重點分析了RSSI 信號強度模型并建立了基于實測數(shù)據(jù)的RSSI—距離關(guān)系模型，建立了TOF測距模型，并通過實際測試對這2 種測距技術(shù)在不同距離范圍內(nèi)的測距效果進行比較。結(jié)果表明，在近距離內(nèi)RSSI 測距精度更高，在遠距離內(nèi)TOF 測距精度更高。

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