CN101435867B - 一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法，首先，建立一个无线网络构架，包括至少四个已知位置的锚节点和若干个随机散布的待定位目标节点；锚节点按其作用不同分为一个主锚节点和若干个从锚节点；其次，从锚节点和目标节点根据主锚节点的控制信令和参考导频信号进行收发机同步；接着，主锚节点根据各从锚节点的探测导频信号进行相位检测和对从锚节点进行相位测量补偿；最后，目标节点利用若干组相位测量结果进行到各从锚节点的距离差估计并最终利用这些距离差信息完成自身定位。

Description

一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点定位方法，特别涉及一种基于无线电相位测量的无线传感器网络节点定位方法。

背景技术

在无线传感器网络(简称WSN)的众多应用中，随机布设的智能传感器节点往往需用其所处位置对传感信息进行标识，以便后续信息融合处理。随着WSN研究日益深入，WSN节点定位技术层出不穷。中国专利CN101191832提出了一种基于接收信号强度指示(RSSI)的单边定位系统，它根据位置已知的锚节点发送信号强度与待测节点接收信号强度的差值计算待测节点到锚节点间的距离，然后利用待测节点到多个锚节点之间的距离差值来对待测节点的位置坐标进行估计。中国专利CN101184328、美国专利US7289466和US7170441分别提出了基于射频信号到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)测量的，锚节点与待测节点间距离估计和待测节点位置估计的多边定位系统。美国专利US6816437和US7319428分别提出了基于超声信号和射频信号的多天线波达方向角(DOA)测量和定位系统。

然而RSSI信号幅度受无线信道环境影响严重；超声或超宽带信号TDOA测距的精度虽高，但其收发双端定时同步精度要求较高，且测距范围有限；DOA估计需要接收端具备多天线和阵列处理能力，使得上述传统定位方法很难在能量受限、处理能力相对较低而定位效率和精度要求日益提高的WSN中得以实用。2005年第3届嵌入式传感器网络会议(the 3rd internationalconference on Embedded networked sensor systems，San Diego，California，USA)上发表的题为《Radio interferometric geolocation》的文献提出了一种专门针对WSN的无线电干涉测量定位系统(RIPS)，它利用两个发射节点同时发射不同载频信号，在接收节点处直接构成无线电干涉。该干涉信号具有低频包络波形，其慢变特性易于接收测量，而其相位则反映了由射频波长精确度量的两个发射机和接收机的相对距离关系。尽管如此，RIPS系统尚存在诸多不足，比如要求每个节点将相位测量结果传输给某汇聚节点，由此节点集中计算网内各节点的位置，因而是一种集总式定位方法。其系统扩展性将受到节点数量的制约，对于大规模网络的节点定位问题，RIPS系统的时效性将会降低。同时，节点间频繁的通信过程不仅增加了网络负载，而且用户节点的位置隐私将无法得到保障。

从定位精度方面考虑，无线电波传播的路径延时将导致无线电信号在收发两端产生相移，而常用WSN射频信号波长处于分米波段，不但有较远的传播距离而且对距离的度量精度较高(介绍相位和距离的关系，以备后面文章中利用)。其次，相较于信号幅度和频率等其它信号特征而言，相位信息受传播环境和接收处理的影响较小。这些都使得射频信号相位测量成为WSN高精度定位系统的首选方法。但从可测性方面考虑，对于一般无线电收发机而言，当发端发射载频参考信号时，收端接收解调至基带输出将为一复正弦信号(IQ信号)。该信号频率为收发对之间的载频频差，其相位不仅包含路径延时所引入射频信号相移，还包含收发对间载频本振初相差、收发对间通道误差等其它干扰项。这使得收端在现有定时同步精度和收发机基带处理水平下无法对路径延时所引入相移进行准确测量。

发明内容

本发明的目的是给出一种无线传感器网络节点定位方法，避免前述现有方法中存在的问题。该方法仅利用无线通信设备进行定位，而不需要附加其它设备(如超声收发装置等)，并且该方法通过相位进行测量定位，定位精度比利用RSSI或多跳计数的方法高。同时，待定位的目标节点自身仅做信号接收测量即可完成定位，无需其相邻节点参与辅助测量，也无需进行集中式定位处理，定位处理过程与节点分布密度数量无关，因此系统具有很好的可扩展性。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，建立一个无线网络，网内节点包括辅助定位的锚节点和被定位的目标节点Xi(i＝1，2，…，K)；锚节点固定在网内已知位置，包括一个主锚节点M和至少三个从锚节点Sj，(j＝1..N)，主锚节点M已知所有从锚节点的位置坐标信息；待定位的目标节点在网内随机散布；

步骤2，主锚节点M向全网广播本次定位服务的调度安排，包括指定两个从锚节点发射导频信号以及各自的信号发射时间；

步骤3，选定频率f₁作为参考信号频率，主锚节点M在预定时隙向全网广播参考信号，网内其它从锚节点和目标节点接收该信号，并进行频率和相位的跟踪，使得其本地参考信号与接收到的参考信号同步；

步骤4，当步骤2中指定的两个从锚节点完成步骤3中的同步后，各从锚节点依次在其预定发射时隙将其同步好的本地参考信号发回给主锚节点M；与此同时，主锚节点M依次分别接收指定的两个从锚节点发回的参考信号，并与主锚节点本地的参考信号进行相位比较，主锚节点通过比较主、从节点的相位测得该相位差，并结合从锚节点位置信息可进一步消除掉节点间因距离带来的相位差，最终得到针对该从锚节点的相位校正因子；

步骤5，主锚节点分别将相位校正因子回传给该指定的两个从锚节点，从锚节点根据收到的校正因子，调整其发射参考信号的相位，使得该指定的两个从锚节点发射信号的相位同步；

步骤6，在该指定的两个从锚节点相位同步后，它们分别向待定位的目标节点发射各自的参考信号，同时目标节点分别对各指定的从锚节点发来的参考信号进行相位测量，由于该指定的两个从锚节点发射信号是同步的，因此目标节点测得的相位将随目标节点到指定从锚节点的距离不同而不同，最终，目标节点将得到各指定的从锚节点参考信号的相位差，该相位差包含了目标节点到各指定的从锚节点的距离差信息，但由于相位具有2π模糊性，所以仅在一个频率上测量不能确定该距离差；

步骤7，重新选取频率f₂，f₃，…，f_L(L≥2)作为参考信号的频率，重复步骤3到步骤6的测量过程，目标节点将得到不同频率下的相位差，由此可以排除相位的模糊性，从而得到目标节点到该指定的两个从锚节点的一组距离差；

步骤8，重新指定两个从锚节点，重复步骤2到步骤7的过程，目标节点将得到其到该重新指定的两个从锚节点的另一组距离差；当目标节点测得至少2组距离差信息后，根据几何计算方法，目标节点即可实现自身节点位置的定位。

上述方案中，所述步骤3中，频率和相位的跟踪是指，从锚节点在主锚节点发射的参考信号作用下，采用锁相环的方式进行频率和相位跟踪，不断调整自身参考信号的频率和相位，使得两者频率保持一致，相位差保持恒定。所述步骤8的几何计算方法为双曲线计算方法：当进行第一次测量后，得到目标节点Xi到从锚节点S1、S2的距离差，即测量出 $d_{X_i{S}_1}-d_{X_i{S}_2}=m_1,$ 其中 $d_{X_i{S}_j}(j=\mathrm{1,2})$ 表示节点X_i到节点S_j的距离，m1表示第一次测得的距离差值，这实际上在二维平面上构成了一条双曲线，从锚节点S1和S2分别处于该双曲线的两个焦点上。当我们重新选取两个从锚节点S2和S3进行测量时，则由距离差 $d_{X_i{S}_2}-d_{X_i{S}_3}=m_2$ 构成另一条双曲线，从锚节点S2和S3分别处于该双曲线的两个焦点上，目标节点Xi即处于所构成的两条双曲线的交点上，因而可以利用几何知识计算出节点Xi的具体位置。

本发明带来的有益效果是：

1.该方法仅利用无线通信设备进行定位，而不需要附加其它设备(如超声收发装置等)，降低了硬件成本和系统的复杂度。

2.该方法通过相位进行测量定位，定位精度比利用RSSI或多跳计数的定位精度高。通常基于RSSI方法的定位误差为几米左右，而基于相位测量的定位误差可以达到几厘米。

3.系统的扩展性好，系统工作的复杂度不随待定位数目的增多而变高。待定位的目标节点自身仅做信号接收测量即可完成定位，无需其相邻节点参与辅助测量，也无需进行集中式定位处理，定位处理过程与节点分布密度数量无关，整体的计算量被分散于各个待定位节点中，因此系统具有很好的可扩展性。

4.由于待定位节点不需要发送自身信息，因此待定位节点的位置隐私将得以很好的保护。

附图说明

图1为本发明无线传感器网络的节点分布举例示意图。其中斜线阴影节点表示主锚节点M，实心阴影节点表示从锚节点Sj，空心节点表示待定位的目标节点Xi。其中 $d_{S_j{X}_i}(i=1..K,j=1..N)$ 为目标节点Xi到从锚节点Sj的距离。

图2为针对3个从锚节点网络的一种帧结构划分方式。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

步骤1，建立一个无线网络，网内节点包括辅助定位的锚节点和被定位的目标节点Xi(i＝1，2，…，K)；锚节点固定在网内已知位置，包括一个主锚节点M和若干个从锚节点Sj，(j＝1，…，N)，主锚节点已知所有从锚节点的位置坐标信息；待定位的目标节点在网内随机散布。如图1所示；图中从锚节点数N＝3，目标节点数K＝4。

步骤2，主锚节点M向全网广播本次定位服务的调度安排，包括指定两个从锚节点S1和S2发射导频信号，以及其各自的信号发射时间；如图2所示。子帧1中从锚节点S1和S2参与，子帧2中从锚节点S2和S3参与。每个子帧中又包括从锚节点间的同步时隙T1和发送参考信号时隙T2。子帧1和子帧2交替进行。

步骤3，选定某一频率f1＝2400MHz作为参考信号频率。主锚节点M在预定时段向全网广播参考信号，网内其它节点(从锚节点和目标节点)接收该信号，并进行频率和相位的跟踪，使得其本地参考信号与接收到的参考导频信号同步。本实施例中采用软件锁相环进行相位同步，利用IQ信号进行频率估计，以估计出的频率作为锁相环自由振荡频率，增大锁相环的捕捉范围。

步骤4，当步骤2中指定的两个从锚节点S1和S2锁相环锁相稳定后，各从锚节点依次在其预定发射时段T2，将其同步好的本地参考信号发回给主锚节点M；与此同时，主锚节点M依次分别接收这两个从锚节点发回的参考信号，并与主锚节点本地的参考信号进行相位比较，由于存在路径、收发通道的相移，从节点发回的参考信号与主节点自身的参考信号之间存在相位差。主节点通过比较两者的相位可以测得该相位差，并结合锚节点位置信息可进一步消除掉节点间因距离带来的相位差，最终得到针对某从锚节点的相位校正因子。

步骤5，主节点分别将相位校正因子回传给对应的从锚节点S1和S2。校正因子回传的方式有多种，本实施例中采用主锚节点将校正因子量化后，以数字的方式编码通过无线信号回传给从锚节点。从锚节点S1和S2根据收到的校正因子，调整其发射参考信号的相位，达到两个从锚节点发射信号的相位同步。

步骤6，在从锚节点S1和S2相位同步后，它们分别向待定位的目标节点发射各自的参考信号，同时目标节点分别对各从锚节点发来的参考信号进行相位测量。由于从锚节点间发射机是同步的，因此目标节点测得的相位将随目标节点到从锚节点的距离不同而不同。最终，目标节点将得到各从锚节点参考信号的相位差，该相位差包含了目标节点到各从锚节点的距离差信息，即相位差 $\mathrm{\Δ\θ}=2\mathrm{\π}(d_{S_1{X}_1}-d_{S_2{X}_1})/\mathrm{\λ}\left(\mathrm{mod}2\mathrm{\π}\right),$ 其中

为目标节点X1到从锚节点Sj(j＝1，2，3)的距离，λ为参考信号频率的波长，但由于相位具有2π模糊性，所以仅在一个频率上测量不能确定该距离差；

步骤7，重新选取另一些频率作为参考信号的频率，如f2＝2410MHz，f3＝2420MHz，重复步骤3到步骤6的测量过程。目标节点将得到不同频率下的相位差，由此可以排除相位的模糊性。例如通过搜索具有最小均方误差的距离差，最终可以确定目标节点到各从锚节点的距离差。测量选用的频率越多，测量的误差越小。本实施例中在3个频率f1，f2，f3上分别进行测量。

步骤8，重新选取另外两个从锚节点，如从锚节点S2和S3，重复步骤2到步骤7的过程。目标节点将得到其到这两个从锚节点的距离差。当目标节点测得至少2组距离差信息后，根据双曲线定位方法，可以进行自身节点位置的计算。即当进行第一次测量后，得到目标节点X1到从锚节点S1、S2的距离差，即测量出 $d_{S_1{X}_1}-d_{S_2{X}_1}=m_1,$ 其中m表示测得的距离差值。这实际上在二维平面上构成了一条双曲线，从锚节点S1和S2分别处于该双曲线的两个焦点上。当我们重新选取两个从锚节点进行测量时，例如从锚节点S2和S3，则由距离差 $d_{S_2{X}_1}-d_{S_3{X}_1}=m_2$ 构成另一条双曲线，从锚节点S2和S3分别处于该双曲线的两个焦点上。目标节点X1即处于这两条双曲线的交点上，因而可以利用本技术领域内公知的双曲线几何定位算法对节点X1进行定位。

Claims (3)

1.一种基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立一个无线网络，网内节点包括辅助定位的锚节点和被定位的目标节点Xi(i＝1，2，…，K)；锚节点固定在网内已知位置，包括一个主锚节点M和至少三个从锚节点Sj(j＝1，2，…，N)，主锚节点M已知所有从锚节点的位置坐标信息；待定位的目标节点在网内随机散布；

步骤2，主锚节点M向全网广播本次定位服务的调度安排，包括指定两个从锚节点发射导频信号以及各自的信号发射时间；

步骤3，选定频率f₁作为参考信号频率，主锚节点M在预定时隙向全网广播参考信号，网内其它从锚节点和目标节点接收该信号，并进行频率和相位的跟踪，使得其本地参考信号与接收到的参考信号同步；

步骤4，当步骤2中指定的两个从锚节点完成步骤3中的同步后，各从锚节点依次在其预定发射时隙将其同步好的本地参考信号发回给主锚节点M；与此同时，主锚节点M依次分别接收指定的两个从锚节点发回的参考信号，并与主锚节点本地的参考信号进行相位比较，主锚节点通过比较主、从节点的相位测得该相位差，并结合从锚节点位置信息可进一步消除掉节点间因距离带来的相位差，最终得到针对该从锚节点的相位校正因子；

步骤5，主锚节点分别将相位校正因子回传给该指定的两个从锚节点，从锚节点根据收到的校正因子，调整其发射参考信号的相位，使得该指定的两个从锚节点发射信号的相位同步；

步骤6，在该指定的两个从锚节点相位同步后，它们分别向待定位的目标节点发射各自的参考信号，同时目标节点分别对各指定的从锚节点发来的参考信号进行相位测量，由于该指定的两个从锚节点发射信号是同步的，因此目标节点测得的相位将随目标节点到指定从锚节点的距离不同而不同，最终，目标节点将得到各指定的从锚节点参考信号的相位差，该相位差包含了目标节点到各指定的从锚节点的距离差信息，但由于相位具有2π模糊性，所以仅在一个频率上测量不能确定该距离差；

步骤7，重新选取频率f₂，f₃，…，f_L(L≥2)作为参考信号的频率，重复步骤3到步骤6的测量过程，目标节点将得到不同频率下的相位差，由此可以排除相位的模糊性，从而得到目标节点到该指定的两个从锚节点的一组距离差；

步骤8，重新指定两个从锚节点，重复步骤2到步骤7的过程，目标节点将得到其到该重新指定的两个从锚节点的另一组距离差；当目标节点测得至少2组距离差信息后，根据几何计算方法，目标节点即可实现自身节点位置的定位。

2.如权利要求1所述的基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法，

其特征在于，所述步骤8的几何计算方法为双曲线算法：当进行第一次测量后，得到目标节点Xi到从锚节点S1、S2的距离差，即测量出

其中

表示节点X_i到节点S_j的距离，m₁表示第一次测得的距离差值，这实际上在二维平面上构成了一条双曲线，从锚节点S1和S2分别处于该双曲线的两个焦点上；当重新选取两个从锚节点S2和S3进行测量时，则由距离差

构成另一条双曲线，从锚节点S2和S3分别处于该双曲线的两个焦点上，目标节点Xi即处于所构成的两条双曲线的交点上，因而可以利用几何学计算出节点Xi的具体位置。

3.如权利要求1所述的基于相位测量的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述步骤3中，频率和相位的跟踪是指，从锚节点在主锚节点发射的参考信号作用下，采用锁相环的方式进行频率和相位跟踪，不断调整自身参考信号的频率和相位，使得两者频率保持一致，相位差保持恒定。

Images