一种有效降低非视距影响的Ad-hoc网络定位方案

资源类型:pdf 资源大小:440.00KB 文档分类:工业技术 上传者:薛奕曦

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【作者】 余启辉  李红艳 

【关键词】定位 Ad-hoc网络 非视距误差 到达时间 

【出版日期】2005-04-25

【摘要】针对复杂地形环境下的Ad-hoc网络应用系统,比如以Ad-hoc网络为基础架构的智能交通定位系统,提出了一种新的Ad-hoc网络定位方案。该方案采用到达时间(TOA)测量值作为距离测量值参数,结合基于TOA测量值重构的非视距误差消除技术,通过选择合适的定位参数,比如采样窗口、参与定位的信标节点数目等,实现最佳的定位性能。仿真表明它能提高定位精度和节点的可定位性,并改善网络适应性。

【刊名】航天制造技术

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1引言Ad-hoc网络作为一种无中心、自组织的新型网络架构技术,由于其组网快速、灵活的特点,已经得到国际学术界和工业界的广泛关注,并且在军事、传感器网络、突发场合、个人通讯等领域有着广泛的应用前景,已经成为移动通讯技术向前发展的一个重要方向,并将在未来的通信技术中占据重要地位。Ad-hoc网络定位系统的研究是Ad-hoc网络研究中一个重要的热门课题。文献[1]提出了一种基于测距和采集扇区信息的ad-hoc网络定位技术,并且深入分析了信标节点(位置已知的节点)的比例、网络节点的配置情况以及距离测量误差对于定位性能的影响。文献[2]中提出了基于距离矢量进行距离估计的Ad-hoc定位技术。文献[3]提出了一种基于多维排列结合坐标校准技术的无线自组织传感器网络定位技术。归纳起来基于距离估计的Ad-hoc网络定位技术主要分为两大类:一类是拓扑分析法,典型的是距离矢量法。这类方法定位精度低,定位性能依赖于距离估计误差和累积的距离测量误差,仅适用于各向同性网络;第二类是几何关系学方法。这类方法通过直接获得节点之间距离和角度等测量值,运用几何关系直接估计节点位置,定位精度较高,但对要求有较高的节点密度、信标节点比例,每个节点必须有3个参考节点才能完成定位,节点的可定位性能低。近年来,有人提出了结合方向测量技术的几何多边形改进算法,但是由于Ad-hoc网络的节点计算能力有限、能量受限,而方向测量设备的能耗大、成本高。并且上述算法没有采用有效的非视距(NLOS)误差消除手段,在复杂地形环境下的定位性能很差。本文针对Ad-hoc网络在复杂环境下的应用展开研究,比如以Ad-hoc网络为架构技术的智能交通定位系统,提出了一种新的Ad-hoc网络定位方案。该方案针对非视距误差对定位性能的决定性影响,采用到达时间(TOA)作为距离测量值参数,结合非视距误差消除技术和补充“信标”节点增强定位的方法,能有效提高定位精度和节点的可定位性能,可以通过调整定位参数来实现最佳的定位性能。2非视距误差消除技术TOA定位技术的主要误差来源是视距环境下的测量误差和非视距误差。合适的定位算法可以消除前者的影响,而后者对于定位性能的影响尤为重要。设定位节点PN到第i个信标节点ANi的TOA测量值为τi。在视距(LOS)环境中,由于多径传播造成的测量误差的影响,τi可以表示为:0i i inττ=+1,2,...,i M=(1)其中0iτ为PN和ANi之间电波的视距传播时间,ni通常可以认为是由TOA检测系统造成的均值为零、方差很小的高斯随机变量,服从N(0,σ)分布。在实际的Ad-hoc网络环境中,PN和ANi之间电波经常出现非视距(NLOS)传播,测量误差中既包含LOS环境下相同的高斯随机测量误差,又包含由NLOS引起的随机测量误差[4]。NLOS误差可以认为近似服从正均值和较大方差的高斯分布。因此,在NLOS环境中的TOA测量值可以表示为:0'i i inττ=+1,2,...,i M=(2)其中0iτ为PN和ANi之间电波的视距传播时间,'in服从'(,)i iNμσ分布,通常'i iσσ>>。所以,在NLOS环境下τi也可以表示为:'0i i i inττμ=++1,2,...,i M=(3)其中μi为NLOS引起的平均超量时延,ni则服从'(0,)iNσ分布。本论文对于NLOS误差的预处理采用了Wylie鉴别方法[4],并用假设检验判决方法[5]来加强对于NLOS误差的判决,然后采用测量值重构的方法对TOA测量值进行重构[6],构造出类似于LOS环境下的“无偏差”TOA测量值。由NLOS引起的超量时延一般可以认为服从指数分布。在都市环境下,平均超量时延μ与由信道决定的均方根时延扩展rmsτ有近似11∶的关系,由NLOS引起的测量误差的均值和方差可以分别表示为:rmsμτ=,22rmsστ=(4)降低了NLOS影响的“无偏差”TOA测量值可以重构为:'0i i i i inττμτ=?≈+1,2,...,i M=(5)3加权最小二乘算法采用到达时间(TOA)测量值进行定位时,其定位原理如图1所示。图1圆周定位模型定位节点取得某个信标节点TOA测量值,就可以得到节点到该信标节点的距离,多个TOA测量值就可以构成一组关于节点位置的圆方程组,求解该方程组就可以得到节点的估计位置。设(x,y)为定位节点PN的待估计位置,(Xi,,Yi)为第i个信标节点的已知位置。则定位节点PN到第i个信标节点之间的距离为:22()()i i iR X x Y y=?+?(6)在i=1时代入(6)式得到另一式,将两式展开后相减,可得到线性化方程组:2211111()()()2i i i iR R K K x X X y Y Y?+?=?+?2,3,...,i M=(7)其中,22i i iK X Y=+;i iR cd=;c为电波传播速度,di为TOA测量值。线性化后的方程组可以采用最小二乘(LS)算法[7]求解出定位节点的估计位置。根据上述线性化方程组建立由M个信标节点参与定位的方程:(8)将上式定义为:Y=AX。其中,Y是已知的(M-1)×1维向量,X是2×1维待定位置向量,A是(M-1)×2矩阵。当(M-1)>2时,系统方程数大于未知数数目,可利用最小二乘法获得X的最优估计。如果ATA是非奇异的,则X的最优解为:1()T TX A A A Y?=(9)当(M-1)=2且A是非奇异的,则X具有唯一解:X=A-1Y。上述只是讨论了权值相等的情况,但由于实际信道中均方根时延扩展rmsτ随着两节点间的距离增大而增大,所以可以采用加权最小二乘法(WLS),即根据每个测量值的可靠性,在最小二乘中采用不同的权值,用以提高定位精度。残差加权平方和函数为:22()()f X W AX Y=?(10)其中W为加权矩阵。当补充“信标”节点参与定位时,由于补充“信标”节点的定位结果存在误差,这个误差成了该节点定位的潜在误差。所以当有补充“信标”节点参与定位时,所有补充“信标”节点的权值要低于所有信标节点的权值。当W取测量值误差方差矩阵的逆阵时可使估计误差的方差最小。4一种自适应的自组织网络定位方案2212212121223131133122111112M MM MR R K K X X Y YX X Y Y xR R K KyX X Y YR R K K???+????????????+???????=?????????????????+?????M MM以Ad-hoc网络技术构建起来的交通定位系统的网络拓扑如图2所示。该系统一般在城市中应用,网络的运行环境很复杂,节点之间的视距路径受到各种障碍物的阻挡,电波一般以非视距传播的方式进行。第一类定位方法由于很高的累积误差,不能获得较高的定位精度。另一方面,由于城市中的车辆数量众多,以它们为节点构成的网络具有节点分布比较集中的特点,只需要通过配置适量的信标节点,就可以使得网络中的多数节点能够获得3个以上的信标节点的距离测量值。所以我们可以采用距离测量值信息来直接估计节点的位置。但是在实际应用中,不可能使得信标节点的配置达到完全理想的状态,并且Ad-hoc网络本身具有动态的拓扑结构,所以网络中必然也存在着许多不能获得足够的测量值信息的节点。此外,我们必须考虑降低非视距误差的对于定位性能影响。图2网络拓扑结构首先,我们对网络中的节点进行分类。如图1所示,黑色小点为信标节点。由于节点C能够获得4个信标节点的TOA测量值,我们称其为4级节点;依此类推:不能获得信标节点的TOA测量值的节点,称为0级节点;能够获得1个信标节点的TOA测量值的节点,称为1级节点;能够获得2个信标节点的TOA测量值的节点,称为2级节点;……能够获得M个信标节点的TOA测量值的节点,称为M级节点;根据TOA定位原理,网络中3级及3级以上节点可以直接通过信标节点获得位置估计,但是2级以下的节点不能实现定位。为了能够对网络中更多节点实现定位功能,并且提供尽可能准确的定位估计,结合Ad-hoc网络本身的特点,本文提出了一种新的定位方案:a.对TOA测量值进行预处理,降低NLOS的影响,重构出类似LOS环境下的“无偏差”TOA测量值;b.用WLS算法估计定位节点的位置;c.3级及3级以上节点直接采用信标节点的TOA测量值来估计位置;d.2级及2级以下节点吸纳网络中其他高级节点作为补充的“信标”节点,以它们的定位结果来辅助完成定位功能;e.低级节点可以有选择地吸纳高级节点作为补充“信标”节点参与该节点的定位;f.根据定位系统的QoS和拓扑变化情况来选择参与定位的信标节点数量(包括补充“信标”节点)和采样窗口等参数;g.根据信标节点和补充“信标”节点的定位可靠性,给予它们不同的权值;一般情况下,所有补充“信标”节点的权值低于信标节点的权值。网络中也可能存在少量的信标节点能够获得3个以上的其他信标节点的TOA测量值,比如节点D。该节点可以运用本方案的前三步来得到一个估计位置,利用它的估计位置与真实位置的误差,来调整网络中其他节点的定位参数。比如:采样窗口、参与定位的信标节点数目(包括补充“信标”节点的选择)。另外,参数的选择还可以根据定位系统的QoS要求来实现,这样可以兼顾定位精度、首次定位时间与通信开支的关系。具体流程如图3所示。图3定位流程5仿真与分析我们用OPNET软件对本文提出的定位方案进行了仿真,仿真环境为2000米的矩形场景。如图4中所示,AN1~5为5个信标节点,PN1、PN2为两个定位节点。无线信道建模参照Greenstein模型(一种基于实际测量值的模型),选择一般市区环境进行计算机模拟。按照该模型,在一般市区中,由NLOS引起的平均超量时延与信道环境决定的均方根时延扩展rmsτ有近似1∶1的关系。假设LOS环境中的测量误差方差为0.1μs。仿真中假设该环境存在非视距传播的概率为50%。采样窗口定义为两个节点间的TOA测量值进行连续采样的样本数。定位误差定义为PN实际位置与估计位置之间的距离。图4仿真环境5.12级节点定位性能网络可能存在大量的2级以下节点。这些节点要实现定位,可以借助3级以上节点的定位结果来完成。仿真中,参与定位的节点及位置:AN1(1750,250),AN2(1500,1750),AN3(250,500),PN1(1250,500),PN2(1250,1000)。采样窗口为100。其中PN1是可以通过4个信标节点来实现定位的4级节点。图5显示了PN2节点通过三个信标节点定位,通过两个信标节点和一个补充“信标”节点定位,两种方法的误差累积分布情况。图5误差累积分布曲线可以看出,一个2级节点通过两个信标节点和一个补充“信标”节点来定位,可以满足60%的定位误差在120m以内。相应的均方根误差为131m。相同条件下,直接通过三个信标节点来定位,能满足60%的定位误差在100m以内。相应的均方根误差为111m。可见,2级以下节点完全可以借助其他高级节点来实现较高精度的定位,这大大提高了网络的可定位性能,反之可以降低对网络节点密度和信标节点比例的要求。5.23级以上节点定位性能比较我们在网络中重新配置了7个信标节点,设节点PN1能收到这7个信标节点的距离测量值信息,分别对其中3个到7个信标节点参与该节点的定位情况进行仿真。采样窗口为100。图6显示了不同数目的信标节点参与定位的误差累积分布情况。可以看出,3至7个信标节点参与定位的均方根误差分别为:118m,107m,94m,84m,73m。它们依次能能满足51%,60%,71%,78%,85%的定位误差在100m以内。可见,越多的信标节点参与定位,节点的定位性能越好。对于以定位服务为主要业务的网络来说,应该尽可能多地利用测量到的信标节点距离信息用于自身的定位。然而,另一方面信标节点越多算法越复杂,计算量越大,节点的能耗也越大,并且用于定位服务的通信开支越大。所以定位时需要根据QoS要求进行适当的调整,选择满足精度要求同时尽可能使计算简单的信标节点数目。图6误差累积分布曲线5.3吸纳补充“信标”节点后的定位性能接下来我们

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