Nanotron--Zigbee与CSS定位特性比较.docx

Zigbee与CSS定位特性比较目前在市面上有多种定位系统，包括Zigbee、WiFi等，以及最新的CSS定位系统。从定位原理上分析，一般的定位系统都可以归纳到基于时间的系统、基于信号强度系统，而这两类系统都有着各自的共性。下面以这两种系统的典型代表CSS系统（基于时间）和Zigbee系统（基于信号强度）进行比较，从而得出其是否适用的结论。以下对比均设定CSS系统和Zigbee系统的射频功率为0dBm, 1mW。一、 测量原理从原理上说，任何定位系统首先需要获取邻节点之间的距离。CSS采用SDS-TW的测量方法，获取双向传输的时间，进而获取节点距离；Zigbee采用测算节点之间连接信号强度(RSSI)的方法，利用无线信号的空间传输衰减模型估算出节点间传输距离。图1 CSS基于SDS-TW算法距离测量原理图2 Zigbee基于RSSI信号传输衰减模型的测量原理从上述图1可以看出，CSS进行了精确的双向到达时间测量以及内部反应时间测量。由于采用了高质量的时钟电路，精确度可以达到1ns, 因而实际测量精确度可以达到1m以下。图2显示了Zigbee进行RSSI测量估算的原理。这种测量是区域性的，和节点前端的低噪音处理电路有很大关系。空间自由传输模型的RSSI衰减估算公式如下：Loss=32.44+10klgd+10klgf 其中，d为节点距离（单位为km），f为频率，单位为MHz；k为路径衰减因子。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较大变化。而由于在不同的空间环境中，上述干扰因素是不确定的，K因子具有较大的不确定性。有研究人员对环境干扰进行进一步的处理，期望获取更接近于实际空间传输特性的模型，如用对数-常态分布模型。进一步用对数-常态分布模型绘制RSSI曲线图观察，发现有如下的明显结论：1 节点到信号源的距离越近，由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；2 而当距离大于80 m时，由于环境随机数X的影响，由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大；图3 RSSI衰减模型（接收强度-接收距离）因此有如下结论：1 CSS由于基于时间系统，在测量精度1ns的情况下，无线电检测精度将达到0.3米，而实际使用中，由于前端多路径到达波检测、时间偏差等原因影响，误差可以控制在0.6-1.5米；在测量距离上，0dBm时可以达到100m，且只要信号到达，就可以利用信号测距；2 RSSI由于采用信号衰减进行测量，理论测量的精确距离范围在80米以内，80米以外甚至将无法获得粗略的距离信息；在实际使用中，由于环境等因素的影响，达到3米精度左右精确测量的最大范围将在15-30米。3 从测量原理上分析，基于信号强度的系统将不能支持长距离测量，最大的问题在于，当环境变化而K因子变化较大时，原先建立起来的估算模型将不能胜任，而必须重新进行系统的校正，也就是环境适应性差，这在实际的应用中是不可接受的。二、 测量精度在实际的野外应用中，精度的要求并没有室内定位系统高。假设实际的需求是5米，那么CSS系统肯定可以满足需求，根据图3的衰减模型（虚线），Zigbee系统在30米以内能够进行大约5米级的距离分辨，80米以内能够进行10米级的分辨，而80米以外对信号波动已经无法识别。实际应用中这些值将都有所降低。0 dBm CSS系统 通讯距离100米 有效测量范围100米0 dBm Zigbee系统 通讯距离100米 有效测量范围30米三、 测量范围CSS系统：测量范围将达到节点双向通讯所覆盖的范围，也就是说只要节点之间能够通讯，系统就能够进行实际的距离测量，因此采用功率放大器后，800-2000米的应用不会存在问题，其测量特性也不会因为增加功率放大器这一环节而有所变化；Zigbee系统：出于分辨率的考虑，0dBm理想最大测量距离在80米，实际测量距离将在30米以下。这将使得普通的传感器网络应用，所部署的点十分密集。如果大范围应用，只能利用其他的概率估算方法进行粗略定位，而此时的误差将可能达到网络覆盖半径的30%。如果采用功率放大器，测量范围将进一步扩展，但是仍然存在的问题如下：1 功率放大器的差异性将影响测量距离，需要用户进行逐一校准；2 根据衰减曲线，在通讯距离末端的30%范围内，将仍然因为RSSI的波动而难以识别。四、 功率控制CSS系统和Zigbee系统都有着很好的功率控制特性：休眠、唤醒、常态收发。从能量消耗上来看，Zigbee为25mA3.3V，CSS为33mA2.5V, 功耗相当。CSS系统一个更优越的地方在于，由于采用Chirp信号，使得射频前端设计容易，能够快速的增加功率模块，进一步增大测量范围。Zigbee难以做到这一点，且做起来有着相当大的校准难度。五、 适配协议目前支持Zigbee的芯片以及CSS 虽然物理层不同，但是网络协议层均可以一致。Zigbee协议栈：可以免费采用个别厂家库文件，并不开放源代码；CSS 协议栈：具有自主的测量底层驱动以及支持Zigbee协议的底层适配层；用户采用这两种解决方案上，并不存在太大的区别与难度。六、 抗干扰性带宽：CSS系统由于采用了80MHz的带宽（属宽带系统），获得了相对较低的频谱密度；而处理信号时又能够获取较大的处理增益以及较好的到达脉冲分辨率，能够很好的抵御环境干扰；Zigbee 系统只有几兆带宽的窄带系统，所以频谱密度高，极易受到外界干扰。天线：利用Zigbee定位，需要天线进行良好的处理，避免由于天线以及部署位置的不同而导致原先的校准失效。举个例子说，如果一个Zigbee节点的定位校准工作是在地面1.5米高度进行的，那么当放在地上，天线方向也变了的时候，前面的一切校准工作已经失效，甚至测不出数据。CSS系统在这种情况下只会缩短测量范围，但仍然能够保证测量精度。环境：当雨天、雾天、丛林中使用该系统时，由于Zigbee的信号强度基本上被吸收，会严重偏离运算模型，而CSS因为信号的吸收问题，只会缩短距离；七、 保密与安全如上述说述，CSS系统由于采用了的带宽，属于宽带系统，有着较低的频率密度，再加上CSS本身的线性调频特性，具有较好的低截获特性；由于支持128位加密，整个系统将具有较好的安全性。Zigbee系统采用DSSS调制，虽然也同样具有较好的保密性，但是频谱密度仍然相对较高，易于受到外界施加的干扰。八、 总结：综上所述，在定位系统中，Zigbee是完全不可行的方案，而只能采用CSS，主要原因如下：1. 定位机理：Zigbee定位从原理上来看，就是一种实验室的方法，在本质上环境适应性差，容易受到外界施加的干扰，而无法在工程中应用。2. 测量精度：信号模型的估算方法从本质上会由于空间物质变化而产生较大误差，-米已经是理想的精度；实际应用时，信号覆盖范围内大部分空间无法定位是正常情况。3. 测量范围：CSS 系统可以通过增加射频功率，轻松地达到大范围测量(800-2000米)；Zigbee在此情况下必须进行复杂的校准，最终至少有30%区域的测量很不准确，在末端的30%-40%的通讯范围内无法测量；4. 功率控制：功率相当，而CSS 更易于设计射频前端，扩展功率以增大通讯、测量范围