（微电子学与固体电子学专业论文）基于ieee802154的探测定位器研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着无线通信网相关技术的发展以及用户对业务种类需求的提高，无线通信网 中测距和定位功能显得越来越重要。目前出现的定位系统存在一些缺点：有的距 离较短，抗干扰能力差，定位精度不高，有的体积较大，较重，有的功耗大，电 池使用寿命短，还没有定向能力。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了一种低速率、低功耗、低复杂度的短距离通信协议。 本文在分析了正e e 8 0 2 1 5 4 技术的特点基础上，以解决目前出现定位技术的一些不 足，本文完成了以下两个方面的工作： 1 ) 在已有的基于r s s i ( r a d i os i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 和l q i ( l i n kq u a l i t y i n d i c a t o r ) 的动态距离估计算法的基础上，进行实际的验证，并最终拟合出 分段算法公式；提出了基于r s s i 的比值加权定向算法，进行了理论分析和 实际验证。 2 ) 在基于第一点距离估计和定向算法的基础上，提出了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 技 术的近距离探测器设计方案，并根据方案，设计了硬件电路，制定了通信 协议，软件流程图，根据软件流程图，开发了探测器程序，研究了系统用 到的射频知识，与人合作开发了系统需要的天线，并进行了软、硬件联调， 达到第一步效果。 关键字：探测器定位r s s ii e e e 8 0 2 1 5 4 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sa n dt h ei n c r e a s i n g r e q u i r e m e n to fv a r i o u sk i n d s o fs e r v i c e sf o ru s e r s ，r a n g i n ga n dl o c a t i o na r ep l a y i n ga m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , t h ew i r e l e s sl o c a t o rs y s t e m sa v a i l a b l eo nt h e m a r k e tt y p i c a l l ys u f f e rf r o mo n eo rm o r eo f ：as h o r tr a n g e ，al a r g ep h y s i c a ls i z e ，as h o r t b a t t e r y - l i f ea n d n od i r e c t i o n a lc a p a b i l i t i e s i e e es t d8 0 2 15 4d e f i n e st h ep h y s i c a ll a y e r ( p h y ) a n dm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) s u b l a y e rs p e c i f i c a t i o n sf o rl o w - d a t a - r a t ew i r e l e s sc o n n e c t i v i t yw i t hf i x e d ， p o r t a b l e ，a n dm o v i n gd e v i c e sw i t hn ob a t t e r y o rv e r yl i m i t e db a t t e r yc o n s u m p t i o n r e q u i r e m e n t st y p i c a l l yo p e r a t i n gi nt h ep e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e mt h i st h e s i s ，a f t e r i n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so fi e e e 8 0 2 15 4 ，w em a i n l ys t u d i e dt w ot a s k sj u s t d e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 ) o nt h eb a s i so fa ne x i s t i n gd y n a m i cd i s t a n c ee s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nr s s i a n dl q i ，a n du l t i m a t e l yas u b - f i t t i n ga l g o r i t h mf o r m u l ah a sb e e na c h i e v e d ， a f t e rr e a lt e s tf o rt h a ta l g o r i t h m ；at h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a lt e s t ，t h e r a t i oo f w e i g h t e dr s s id i r e c t i o n a la l g o r i t h mh a sb e e na c h i e v e d 2 ) o nt h eb a s i so fd y n a m i cd i s t a n c ee s t i m a t i o nm e t h o da n dd i r e c t i o n a la l g o r i t h m ， e s t a b l i s h e das c h e m ea b o u tp o s i t o i n i n gd e t e c t o rb a s e do ni e e e 8 0 2 15 4 t e c h n o l o g y d e s i g n e dt h eh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i ta n ds o f t w a r ef l o w c h a r t b a s e do ns o f t w a r ef l o wc h a r t , d e v e l o p e dt h es o f t w a r ep r o g r a m m e ；b e g i n d e b u gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e y w o r d ：d e t e c t o rp o s i t i o n i n g r s s ii e e e 8 0 2 1 5 4 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期趟：! ：圭 妻签霪 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 无线通信技术的飞速发展，给人们日常生活带来了极大的便利。同时，人们对 无线通信也提出了更高的要求，一方面是希望能够提供更高的传输速率和传输质 量；另一方面希望在一定的速率情况下，能够有更低的成本，更低功耗的通信系 统。在后一背景下，促使了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的诞生。并成为短距离无线通信领域 研究、开发的一个热点。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是一项新兴的短距离、低功耗、低传输速率、低成本的无线 网络通信技术，采用直序展频技术( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) ，主 要用于近距离无线网络连接，适用于自动化控制和远程控制的应用领域。 随着现代生活水平的提高，短距离无线定位功能显得越来越重要，目前出现的 定位系统存在一些缺点：有的距离较短，抗干扰能力差，定位精度不高，有的体 积较大，较重，有的功耗大，电池使用寿命短，还没有定向能力。 利用i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，设备在通信时，信号质量强度( r s s i ) ，随距离的增 加而衰减的特性。加之该技术的低功耗，低成本的特点，用来设计短距离定位系 统是可行的，也是非常好的实现方案。 1 2 本论文的主要工作 以实现短距离的无线定位系统，本课题主要针对基于i e e e 8 0 2 1 5 4 定位探测器 的实现进行了研究。 本文的工作主要有以下两点： 1 ) 在已有的基于r s s i 和l q i 的动态距离估计算法的基础上，进行实际的验证， 并最终拟合出分段算法公式；提出了基于r s s i 和l q i 的比值加权定向算法， 并进行了理论分析和实际验证。 2 ) 在基于第一点距离估算和定向算法的基础上，提出了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 技术 的近距离探测器设计方案，并根据方案，设计了硬件电路，制定了通信协议， 软件流程图，根据软件流程图，开发了探测器软件程序，研究了系统用到射频 知识，与人合作开发了系统需要的天线，并进行了软、硬件联调，达到第一步 效果。 1 3 论文结构 全文共分七章，各章安排如下： 2 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 第一章绪论，简单介绍了本课题的研究背景和研究意义，介绍了本论文的结构 安排和论文的主要工作。 第二章简要介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，分析t r s s i 和l q i 的关系，说明了倒f 天线和八木天线的工作原理。 第三章重点研究了基于r s s i 和l q i 动态估计算法，提出了基于r s s i 匕l 值加权定 向算法，进行了理论分析和实际验证。 第四章提出了定位系统的硬件实现方案，并进行了器件选型，电路图设计，对 天线部分做了简要介绍。 第五章制定了定位系统通信所需的通信协议，分析了软件设计中的主要功能模 块，并重点讲述了该系统软件设计的主要思想和流程图。 第六章主要讲述论文中算法的测试，验证和系统的测试，分析及改进。 第七章总结全文，并对更进一步的研究进行了展望。 第二章探测器设计基本理论 第二章探测器设计基本理论 本文探测器基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，利用设备在通信时，信号质量强度( r s s i ) 随距离的增加，方向的改变而变化的特性进行设计。本章简要介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，讲述r s s i 和l q i 的定义和关系，重点分析倒f 天线和八木天线的工作原理。 2 1i e e e 8 0 2 15 4 标准简介 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准【l 】定义的是低速率低功耗低成本短距离通信协议的物理层 ( p h y s i c a l 蛳，p h y ) 和介质访问控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 。 物理层要完成以下6 个任务： 操控无线收发器； 当前信道的能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) ； 接收包的链路质量指示l q i ； 信道空闲评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ： 信道选择，选定收发器工作的频率； 数据的收发，使用直接序列扩频技术，三种调制解调方式： 0 一q p s k ( o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ) 、a s k ( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 和 b p s k ( b i n a r yp h a s e - s l l i ak e y i n g ) 。 m a c 子层负责完成以下8 个任务： 协调器( c o o r d i n a t o r ) 要生成网络信标以同步相连的标志； 其它设备依赖信标同步； 处理和维持g t s ( g u a r a n t e e dt i m es l o t ) 有保证时槽机制； 带冲突避免的多路存取载波侦听( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i m c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) ，没有解决隐藏节点难题，因为代价太高； c o o r d i n a t o r 选定p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 网工作信道； 子节点的关联和解除关联，o r p h a n 节点的再关联恢复； 加密解密保证通讯安全； 提供直接相邻节点间的可靠通信，使用确认重传、i t u 1 6 c r c ( c y c l i e r e d u n d a n c yp e r i o d ) 校验机制 用于构建i e e e 8 0 2 1 5 4 标准网络的设备分为两种类型：完全功能设备 ( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ， f f d ) 的精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。 f f d 可以有三种工作方式：个人区域网络( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，烈) 协调器， 普通协调器c o o r d i n a t o r 和终端设备。r f d 只能作为终端设备，并且一次只能同一 个f f d ( i 作方式p a nc o o r d i n a t o r 或者c o o r d i n a t o r ) 关联。f f d 能与其他f f d 和 4 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 r f d 通信，而r f d 只能同f f d 通信，不能同其他r f d 通信。 2 1 1 载波调制 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三个载波频段用于收发数据。在这三个频段的数据发送速 率、信号处理过程以及调制方式存在差异。三个载波频段总共提供2 7 个信道 ( e h a n n e l ) ：8 6 8 m h z 频段1 个信道，9 1 5 m h z 频段1 0 个信道，2 4 g h z 频段1 6 个信 道。三个频段的载波信道特征如表2 1 所示。 表2 1 物理层载波信道特征 物理层频段扩频参数数据参数 ( m h z ) 码片速率调制方式位速率符号速率符号 ( k e h i p s s ) ( k b s ) ( k s y m b o l s s ) 8 6 8 9 1 58 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0 二进制 ( m h z ) 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k 4 0 4 0 二进制 8 6 8 915 ( 选择)8 6 8 - 8 6 8 6 4 0 0a s k2 5 01 2 52 0 位 9 0 2 9 2 81 6 0 0a s k2 5 05 0 5 位 8 6 8 9 1 58 6 8 8 6 8 64 0 0 o - q p s k 1 0 02 51 6 ( 选择)进 制 9 0 2 9 2 82 0 0 0 o q p s k 2 5 06 2 51 6 进 制 2 4 g h z2 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 51 6 进 制 差分编码器位到码片序列转换b s p k 调制 图2 1 载波频段8 8 6 9 15 m h z 的扩频调制过程 在8 6 8 m h z 和9 15 m h z 这两个载波频段上，信号处理过程相同，分为b p s k ， a s k ，o q p s k 三种调制方式，后两种是可选的。只是数据收发速率不同。下面介 第二章探测器设计基本理论 5 绍b p s k 调制，处理过程如图2 1 所示，首先将物理层协议数据单元p p d u ( p h y p r o t o c o ld a t au n i t ) 的二进制数据差分编码，然后再将差分编码得到的每一位扩展 成长度为1 6 的码片序列( c h i ps e q u e n c e s ) ，最后使用二进制相移键控b p s k 方式 调制到信道上。 差分编码就是将数据的每一位原始位( b i t ) 与前一位差分编码生成的位进行半 加运算( 异或运算) ；e = r 。0 e 。，其中e 是差分编码的结果，尺。为待编码的 原始位，e 剃是上一次差分编码的结果。对于每个要发送的数据包，尺1 是第一个 原始位，计算时假定劢= o 。 差分解码的过程和编码的过程类似：r 。= e0e 一。，对于每个接收到的数据 包，e l 是第一个要解码的位，计算时假定e 0 = 0 。 差分编码以后接下来就是直接序列扩频d s s s 。每个编码位被转换成长度为1 6 的码片序列。扩频过程按表2 2 进行，扩频后的序列使用二进制相移键控b p s k 调 制到信道上。 表2 2 载波频段上8 6 8 9 1 5 m h z 的序列与码片间的映射 输入位 码片值 ol1 11 0 1 0 1 1 1 0 0 0 10 0 0 0 1 0 1 0 0 11 0 l l1 2 4 g h z 频段采用1 6 相的类正交调制技术。每个符号周期有4 个实际的数据信 息位，根据这4 个实际的数据位，从1 6 个近似正交的伪随机噪声p s e u d o r a n d o m n o i s e ( p n ) 序列选出一个p n 进行发送。发送时使用的调制方式是带偏移的正交 相移键控( o q p s k ) 。码片发送速率达到2 m c h i p s s ，对应的发送速率为2 5 0 k b s ， 符号速率为6 2 5 k s y m b o y s 。其整个调制过程如图2 2 所示。 位到符号转换符号到码片序列转换o q s f k 调制 2 1 2 c s m a c a 机制 图2 22 4 g h z 频段的调制过程 c s m a c a 和c s m a c s m a c d 有相同之处，也有区别。 c s m a c a ，c s m a - c d 以及它们之前的c s m a 技术属于随机竞争技术。每个 站点的信息传输是不可预期的，到底何时开始传输预先并不知道，即它是随机使 用的；每个站点都可以拥有对传输介质的使用权，因而它又是竞争的。 6 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 在c s m a 中，一旦有两个帧发生冲突，在这两个坏帧传输的这段时间内，其 它站点都不能传输。如果帧比较长，相对于传播时间来说被浪费掉的容量是相当 可观的，如果站点在传输的时候继续监听，这种浪费可以减少。这就是c s m a - c d 算法对c s m a 的改进之处。 在i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层中，引入了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念的 引入极大的方便了网络管理，我们可以选用以超帧为周期组织l r w p a n ( l o w r a t e w i r e l e s sn e t w o r k ) 隔 络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为 始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网 络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己 的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间，p a n 网路中 的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧的活跃期间又划 分为三个阶段：信标帧发送时段，竞争访问时段( c o n t e n t i o n a c c e s sp e r i o d ，c a p ) 和 非竞争访问时段( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ， c f p ) 。超帧活跃部分被划分为1 6 个等长 的时隙，每个时隙的长度、竞争访问时段包含的时隙数等参数，都由协调器设定， 并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。图2 3 所示为一个超帧结构。 信标帧 信标帧 i - 非竞争访问时段 一 + 一 竞争访问时段 一 不活跃时段 一 粥盯s o123 456789 lo i1 1 1 2 1 3 1 5 图2 3 一个超帧结构 在超帧的竞争访问时段，i e e e 8 0 2 1 5 4 网络设备使用带时隙的c s m a c a 访问 机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争时段，协调器 根据上一个超帧期间p a n 网络中设备申请g t s 的情况，将非竞争时段划分为若干个 g t s 。每个g t s 由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请g t s 时指定。如果申请成 功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。如图2 3 中第一个g t s 由时隙9 1 2 构成， 第二个g t s 由时隙1 3 1 5 构成。每个g t s 中的时隙都指定分配给了时隙申请设备， 因而不需要竞争信道。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准要求任何通信都必须在自己分配的g t s 内 完成。超帧中规定非竞争时段必须在竞争时段之后。竞争时段的功能包括网络设 备可以自由收发数据，域内设备向协调器申请g t s 时段，新设备加入当前p a n 网络 等。非竞争时段由协调器指定的设备发送或者接收数据包。如果某个设备在非竞 争时段一直处在接收状态，那么拥有g t s 使用权的设备就可以在g t s 时隙直接向该 第二章探测器设计基本理论 7 设备发送消息。 2 1 3 可靠性传输机制 i e e e 8 0 2 1 5 4 用来可靠性传输的机制有两个：一个是循环冗余校验c r c ，另 一个是确认和超时重传。后者保证接收方会收到帧，前者保证收到的帧是无差错 的。 循环冗余校验c r c 的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k 位二进制码序列，以一定的规则产生r 位校验用的监督码( 尽p c r c 码) ，并附在信息 后边，构成一个新的二进制码序列数共他岫位，最后发送出去。特点是漏检率极 低而且易于实现。 仅仅使用循环冗余校验技术只能做到无差错接收。所谓“无差错接收 就是 指：“凡是被接收的帧，我们都能以非常接近于1 的概率认为这些帧在传输过程 中没有产生差错”。而要做到“可靠传输 ，必须再加上确认和超时重传机制。 确认帧没有目的和源地址信息，且其序列号s n 是8 位的，为什么确认帧没有 目的地址信息也能正确到达目的设备，并停止同原帧( 确认帧对应的帧) 相关的 超时时钟的计时。在i e e e 8 0 2 1 5 4 的星型网络中，终端设备只能直接与 c o o r d i n a t o r 通信，终端设备间的直接通信是不可能的，因为对某一终端设备而言其 它的终端设备的地址都是未知的。如果原帧是由c o o r d i n a t o r 发出的，设备发出确认 帧则发生不会确认，因为c o o r d i n a t o r 发出的每一个确认帧以外的帧都会有各自不同 的序列号s n ( s e q u e n c e sn u m b e r ) ，即使s n 只有8 位，短时间内也不可能循环一轮而 连续发出2 5 6 个待确认的帧；若是终端设备发出原帧( 待确认的帧) ，则可能出现多个 设备待确认帧的序列号相同的极端情况，可以让终端设备的序列号s n 的初始值采 用随机方式产生。 接受方在收到命令帧或者数据帧以后必须很快( 在信标不使能网络中为1 2 个符 号周期的时间长度) 回复确认帧。没有收到帧或者接收的帧出现差错( 会丢弃该帧) 时，接受方不会采取动作。发送方在设定的时间内没有收到对方的确认，就会重 传该帧。i e e e 8 0 2 1 5 4 所采用的确认和超时重传机制属于停止等待协议，比较简单， 缺点是信道的利用率不高，也就是信道的吞吐率不高。 2 2 1 信号强度指示r s s i 2 2r s s i 和l q i 定义与关系 r s s i 是估计信道带宽内所接收信号能量的功率强度，不对信号做验证或解码， 所以检测的结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。r s s i 检测时间应该持续8 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 个符号周期( 载波频率2 4 g h z 时，为1 2 8 u s ) 。 2 2 2 链路质量指示l q i l q i 测量接收帧的信号强度和质量特性。l q i 要求范围为0 2 5 5 ，可以由r s s i 产生l q i 值，如果直接用r s s i 产生l q i 值有许多不好之处【6 】，如信道内存在窄带 干扰，实际上将减小l q i ，然而用这种方式计算反而增加。可以采取每接收一帧的 平均相关值来具体计算，如式( 2 1 ) 。 三0 i = ( c o r r a ) 木b ( 2 1 ) 式中：l o i 的范围0 到2 5 5 ，a 和b 根据经验值来决定。 2 3 天线工作原理 本文探测器设计方案中，采用全向倒f 天线和定向准八木天线来接收和发送信 号，实现系统设备之间的通信。 2 3 i 八木天线【1 3 】 = 弘枷1 2 i f l f e - j p o s 逾口驴m ”i ( 2 m - 石d i m c 再o s ( - 孕万c o s 0 ) 协2 ) 式中r 0 为自坐标原点至观察点的距离。则n 元八木天线远区辐射场为 r o n r o x hs i n o e o s ( p + y ns i n o s i n q + z 。c o s 0 n j “ e 旷。爿_ e a , = - j z w 。瓦e , t r t ) 珊伊) 2 3 ) 式中 第二章探测器设计基本理论 9 e ( p ，缈) ：s i l l 秒n 2 厶g m ( 1 ) n = l r n = l 册( 2 m - i ) i r m nc o $ ( 孕c o s p ) ( 2 m - 1 ) z 一( 华c 0 s 秒) ： 纯= 夕( 吒s i n o e o s c + y 。s i n 8 s i n 伊+ z 0 0 5 力 c ( 曰，妒) 称为总方向图因子。 因此天线辐射的功率流密度为 p 粥= 訾掣，r o 嚣筹2 专qz 专o a 死r o 2 3 2 倒f 天线【1 2 】? ( 2 4 ) 典型的平面倒f 天线由地板、顶层贴片、馈线及短路探针或短路壁构成，见图 2 4 。引入短路探针能激励出一个四分之一波长的谐振，与传统的微带贴片天线相 比，贴片尺寸可以减小5 0 。 镪视掰俯搅图 ( ) 髑f 塑天线 等绶 = 争 ( b 镣缎趣鼹( e ) 坐标系 图2 4 印制倒f 型天线的等效电路 辐射特性 倒f 型天线具有等向辐射特性。当天线谐振即l = a 4 时，电流主要分布在天线 的水平部分( 图中s 和l 部分) 和对地短路部分( 图2 4 中h 部分) ，而馈电部分 则基本无电流分布。当取如图2 4 ( c ) 所示的坐标系时，由水平部分电流所产生 的相对电场强度为 b + = c o s 纠c o s 口+ ，e x p 詈c o s 口】 ( 2 - 5 ) 由对地短路部分电流所产生的相对电场强度为 = 叫口c o s o e o s + e , , s i n # ( 2 6 ) 故总的相对电场强度为 l o 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 吨工+ 日= e e c o s 妒 _ s i n c 三刚酬三训，卜s 证矽亿7 ， 因此天线辐射的功率流密度为 胪訾= 去p h 卜2 卜妒) - 赤 ( 2 8 ) 可见功率流密度与卿矽都无关，因此天线在各个方向上辐射的功率密度都相同， 其功率辐射具有等向辐射特性。 2 4 小结 本章介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，对协议中调制方式，信道选择，可靠性传输进 行了说明；然后分析了r s s i 和l q i 的定义和关系；最后重点分析了倒f 天线和八 木天线的工作原理和特性。 第三章基于r s s i 和l q i 的定位算法研究 1 1 第三章基于r s si 和l qi 定位算法研究 目前已有大量关于无线设备间距离估计和定位的研究。在基于测距的定位算 法中，现有的测距两个无线设备间距离的技术大致有：到达时间( t i m e - o f - a r r i v a l ， t o a ) 、时间差( t i m e d i f f e r e n c e o f - a r r i v a l ，t d o a ) 和到达角度【4 j ( a n g l eo f a r r i v a l ，a o a ) ，接收信号强度( r s s i ) 。其中基于接收信号强度( r s s i ) 的定位技 术在r a n g e - b a s e d 定位方式中具有低成本、设备少、距离远、易获取的特点，更适 合于低功耗、低成本的无线传感器网络系统。本章重点研究了基于r s s i 和l q i 结合 的动态加权估计算法，提出了r s s i 比值加权定向算法。 3 1 基于r s s i 和l q i 结合的动态加权估计算法 3 1 1 r s s i 和l q i 衰落曲线的分段逼近 建立r s s i 和l q i 的衰落曲线就是要拟合出简单而有效的r s s i 和l q i 随距离 变化的衰落曲线，并且用数学公式来模拟衰落曲线，以此作为以后估计节点距离 的依据。实际应用环境比理想环境复杂多，存在着多径干扰、绕射、障碍物等不 定因素，对于某个具体环境而言，根据原理模型和大量实测的经验数据来建立经 验公式是最有效的一种方法。 无线电传播路径损耗对于r s s i 定位算法的定位精度有很大影响。常用的传播 路径损耗模型有【1 9 】：自由空间传播模型( f r e es p a c ep r o p a g a t i o nm o d e l ) ，对数距离 路径损耗模型( 1 0 9 - d i s t a n c ep a t hl o s sm e d 0 1 ) ，哈它模型( h a t am o d e l ) ，对数常态分 布模型( 1 0 9 d i s t a n c ed i s t r i b u t i o n ) 等。文中针对户外应用环境，采用自由空间传播 模型和对数常态分布模型，用于分析和仿真，自由空间无线电传播模型如式( 3 1 ) 。 l o s s = 3 2 4 4 + 10 n l g d + 1 0 n l g f( 3 一1 ) 式中：d 为接收端与发射端的距离( 蛔) ，f 为无线电传播的频率( m h z ) ，行为路 径衰减因子，一般取2 5 。 在实际应用环境中，由于多径、绕射、障碍物等因素，无线电传播路径损耗与 理论值相比有些变化，对数一常态分布模型将更加合理，式( 3 2 ) 可用于计算节点 收到信标信息时的路径损耗。 p l ( d ) = p l ( d o ) + 1 0 k l o g ( - ) + x o ( 3 - 2 ) “o 式中：彪倒为经过距离d 后的路径损耗( d b ) ；x a 为平均值为0 的高斯分布随机变 数，其标准差范围为4 - - 1 0 。do 为参考距离，通常取值1 m ；死( d o ) 是经过参考距 离do 后的路径损耗。由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可以得到接收端的信号强度，由式 ( 3 3 ) 给出。 1 2 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 e ( d ) = 只一p l ( d ) ( 3 3 ) 式中：e ) 为接收信号强度( d b m ) ，也可表示成r s s i ( d ) ，为发射信号功率( d b m ) 。 基于这样的原理，i e e e 8 0 2 1 5 4 给出了简化的信道模型1 1 ，由式( 3 4 ) 。 ：只一锻2 - 1 0 尥灿g d ，拈8 m ( 3 - 4 r s s i ( d ) 4 ) = “) l 尸一5 8 5 1 0 3 3 l g d ，d 8 m 图3 4 显示了该模型下接收信号强度r s s i 与距离d 的关系曲线图。从该信道 模型中可以看到，信号的衰减与距离成指数衰减的关系，并且当节点间距离比较 近时，其路径衰减因子k 较小( k = - 2 ) ；当距离增大时，衰减增大( k = - 3 3 ) 。尽管 i e e e 8 0 2 1 5 4 将信道模型进行了简化，但是幂级数形式的计算对硬件的要求比较 高。从信号的衰减特性可以看出，在距离较近的地方，衰减曲线比较陡直，在距 离比较远的地方，曲线渐渐变得平缓。因此，可以用分段逼近的方法拟合衰减曲 线。 加 瑚 蛊瑚 屯 测 高加 筐 韵 铷 0 2 d4 0801 0 01 2 0 距离m 图3 1r s s i 和距离的关系曲线 实际测量得到的r s s i 和l q i 随距离的衰减曲线如图3 1 和图3 2 所示。从图 中可以看到观察到，实际的衰落曲线存在一些不规则的震荡和衰落。信号强度在 2 0 m 以内的区域中较好地符合i e e e 8 0 2 1 5 4 的信号衰落曲线，当距离加大时，r s s i 的衰落曲线就比较平缓，明显高于i e e e 8 0 2 1 5 4 的信号衰落曲线。这可能是由于 r s s i 值受到硬件条件的限制，其有效范围较为有限( 实测条件下，一般在 第三章基于r s s i 和l q i 的定位算法研究 1 3 4 0 9 0 d b m ) 。图显示了l q i 随距离的衰落情况。其衰落趋势与r s s i 大致相同： 在2 0 m 的范围内波动比较小，随着距离的增大，震荡也增大了，也有较大的不规 则的衰落。相比之下，l q i 值的有效范围要宽得多，在4 0 - 1 7 0 之间。因此，如果 增加l q i 值来进行距离的估计，能够得到更宽的线性度，从而提高定位的精度。 2 1 1 1 4 0 理1 2 0 s1 0 0 4 0 图3 2r s s i 实测衰减曲线 02 0幻6 08 01 0 01 2 0 距离m 图3 3l q i 的实测衰减曲线 枷 舶 舶 加 舶 啪 冒号靼h罄 1 4 基于i e e e s 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 - 4 0 m 目 管- 6 0 趔 丝- 7 0 - 8 0 - g o o2 08 01 0 0 1 2 0 距离m 图3 4 分段拟合的r s s i 衰落曲线 f - 3 9 一1 1 7 d ，d 2 0 r s s i ( d ) = 7 。 l 一6 3 0 1 6 x ，d 2 0 距离m ( 3 5 ) 图3 5 分段拟合l q i 的衰落曲线 l p ，：1 8 2 0 4 1 9 8 d ，d 4 0 根据图3 2 和图3 3 所示的实际的衰落曲线和上述分析，分别以2 0 m 和4 0 m 为 界分段进行线性逼近，得到分段逼近的r s s i 和l q i 衰落曲线如图3 4 和图3 5 所 第三章基于r s s i 和l q i 的定位算法研究 1 5 示。并得到分段后的拟合曲线公式( 3 5 ) 和( 3 6 ) 。 3 1 2 动态的距离加权估计 从图3 4 和图3 5 可以看出，l q i 的两段线性衰落曲线的斜率都要高于r s s i 的线性逼近衰落曲线，l q i 可以提供更高的分辨率。在小于2 0 m 的范围内，实际 的l q i 衰落曲线围绕其逼近曲线的波动要略小于实际的r s s i 衰落曲线围绕其逼近 曲线的波动，相对比较稳定，但是当距离较大时，l q i 值的波动就比r s s i 的波动 厉害的多，此时，用l q i 的逼近曲线计算得到的距离就与真实值相差很大，而此 时r s s i 比较稳定。因此，如果能预知需估计距离所在的范围，在此距离较小时， 首选l q i 来计算；而当此距离较大时，首选r s s i 来计算，这样就得到动态处理估 计距离的目的。 实际结果显示，在较近的范围内用l q i 和用r s s i 计算得到的距离误差都比较 小，二者的距离之差较小；而当距离增大时，由于l q i 的大幅度波动造成距离估 计也有很大的误差，从而导致2 者的距离之差较大。为了使估计的距离和实际距 离比较吻合，可以采取加权的处理方法。具体公式如式( 3 。7 ) 。 id = a l d 脚+ a 2 d q ，叭 i 口1 + a 2 = 1 、j 。， 其中d 为待估计的距离，d 脚为通过r s s i 估计的距离，通过l q i 估计的距离， 口l 和a 2 分别为二者权重因子，从测量曲线可以看出，在距离比较近的时候，权重 因子口1 较大，当距离比较远的时候，权重因子口2 比较大，具体在实际中使用该算 法，需要考虑实际的环境，根据测量的情况，进行小幅度的修正。 3 2r s s i 比值加权定向算法 在本章前一部分重点研究了r s s i 和l q i 结合的动态加权估计算法。下面将提 出一种测向的算法。并根据测向原理，进行试验验证。 r s s i 比值定位算法主要基于一种具体的实现方式而来，具体实现为，依靠r s s i 不仅随着通信距离的变化而变化，还与接收天线相关，如果采用全向天线接收， 在距离一定的情况下，接收各个方向的信号，其强度值大致相当，如果采用定向 天线接收，只有在定向天线方向与发射信号方向一致时，接收的信号强度最大， 在背对发射信号方向其接收信号最小，在从最大方向到最小方向不断衰减，基于 该原理，可以用定向天线来定发射信号的方向。但是，仅仅用定向天线，接收的 信号不仅随着方向变化而变化，还将随着距离的变化而变化，因此，在这两个因 素影响r s s i 值时，在实际利用该原理时，不能很好的定发射设备的方向，正是考 1 6 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的探测定位器研究与实现 虑这个不足，增加一步，结合全向天线来实现定向，利用在具体一点时，分别通 过全向天线和定向天线来接收信号，然后，这二者接收的信号强度相比，通过比 值大小来决定发射设备的方向，同时，考虑在全向天线和定向天线测r s s i 值，不 是在相同时刻测得，会带来一些误差。因此增加了邻值测量加权平均值法，对测 量结果进行二次处理。利用两步定向算法，不仅解决了距离影响因素；同时，也可 以减弱实测中加入信号的随机噪声。 基于上面的原理，本文提出了r s s i 比值两步定向算法，第一步实现定向天线 接收r s s i 与全向天线接收r s s i 之比，第二步实现邻值测量加权平均处理。本文 采用全向天线中倒f 天线的辐射函数和定向八木天线的辐射函数，结合无线信道 模型，以及噪声环境等因素的进行分析和试验，研究该定位原理的可行性。 在许多无线通信中，由于电波的反射、散射和绕射等，使得发射机和接收机 之间存在多条传播路径，并且每条路径的传播时延和衰耗因子都是时变的，这样 就造成了接收信号的衰落。 一 常用的模型有传输路径损耗模型( p r o p a g a t i o np a t hl o s sm o d e l ) ，大尺寸传输 模型( l a r g es c a l ep r o p a g a t i o nm o d e l ) ，小尺寸传输模型( s m a l ls c a l ep r o p a g a t i o n m o d e l ) 。在定向测距中，无线电传输路径损耗对于r s s i 定向算法的精度有很大影 响，在此采用对数一常态分布模型研究。具体公式参见式( 3 2 ) 。 根据式( 3 2 ) 可以得到末节点接收信标节点信号时的信号强度为 r s s i ( d ) = b 幸g - p l ( d ) ( 3 8 ) 式中：r s s i 为接收信号强度，只为发射功率，g 为天线增益，p l ( d ) 为路径损耗。 式( 3 8 ) 是对一般情况的讨论，没有讨论接收机天线的情况，如果采用不同的接 收天线