基于ZigBee的WSN非视距鉴别定位算法

杨北亚 范祥辉 周耿 杨寒

摘要：针对非视距误差会导致无线传感器网络定位系统定位精度严重下降及无线传感器网络定位系统寿命短等问题，该文提出了基于ZigBee的NLOS鉴别无线传感器网络算法。通过NLOS鉴别算法提升了系统在NLOS情况下的定位精度，并利用了基于ZigBee的无线通信协议成功降低了传感器节点功耗，提升了系统寿命，成功解决了定位精度及节点寿命的两方面问题。

关键词：无线传感器网络；非视距；到达时间；到达时间差；ZigBee

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0256-02

无线传感器网络（WSN）定位技术是一种基于无线传感器定位的、低成本、小型化定位精度高的新型定位技术[1-4]。其最大特点即小型化以及低成本，基于这些，该技术可以被应用于各类复杂环境（如井下救援、火场定位等）。这些应用背景，就决定了无线传感器网络所必须具有的一些特性，首先是在各类环境中必须有较高的定位精度，因为精准定位才能更好地服务于救援等背景，同时，还必须具有寿命长的特点，井下、火场等环境使得传感器节点无法经常更换，也很难提供固定持续供电环境，因此传感器节点的寿命也直接影响到无线传感器网络定位系统的使用。因此如何提升系统定位精度以及使用寿命显得尤为关键。

本文主要从两个方面出发来提升系统定位精度与系统寿命。首先，由于无线传感器网络定位系统的特点，其往往被应用于复杂环境中，因此由于传感器节点之间无法视距（LOS）通信而造成的定位误差就成为制约无线传感器网络定位误差的主要来源，因此如何解决传感器节点之间的非视距通信问题就成为本文研究的主要方向之一；其次，传感器节点寿命长短主要决定于节点的可维修性与节点功耗，基于无线传感器网络定位系统的应用环境，其传感器节点往往很难在使用过程中进行更换或者维修，因此降低传感器节点的功耗就成为提升系统寿命的一大关键。本文基于这两方面，分别提出了基于ZigBee的无线传感器网络定位系统与非视距（NLOS）鉴别算法，分别用以提升传感器节点寿命、并提升系统非视距情况下的定位精度。

1 非视距鉴别算法

1.1 国内外研究现状

目前国内外解决NLOS情况下的定位问题主要分为两种方法：

1）是通过计算权重来抑制NLOS对定位的影响，如：残差加权的方法。该方法通过对传感器节点测距的冗余结果来进行权重计算并加权，从而抑制NLOS因素对定位的影响。该方法需要较多的锚节点（定位中位置已知且能够与主机通讯的辅助定位节点）参与定位借此来计算权重，因此系统定位精度容易受制于锚节点数目，同时也难以适应恶劣的环境。2）是通过计算，直接在测量得到的到达时间（TOA）信息中去除非视距所造成的误差。如Wylie等人提出的重構法，该方法即是利用LOS情况下部分传感器节点能够获得的先验信息，对NLOS误差进行计算估计，并借此矫正获得的TOA信息，从而消去NLOS误差对于测距的影响。该方法同样使得系统定位性能容易受制于锚节点能够获得的大量信息，较为依赖锚节点的数目。

因此如何去除或降低对于锚节点的需求量，成为目前研究NLOS误差消除、抑制，解决NLOS定位问题的主要方向之一。

1.2 非视距误差鉴别算法

由于存在NLOS通信情况的锚节点，会造成获取的TOA信息出现较大偏差从而影响系统定位精度，因此从系统中鉴别出具有NLOS通信情况的锚节点成为算法的主攻目标。Wylie等人提出的重构法需求锚节点视距情况下的先验信息，而在实际使用中，往往很难获得锚节点的先验信息或只能获取较少的先验信息，因此需要在没有先验信息或先验信息较少的情况下鉴别出具有NLOS通信情况的锚节点。

在定位过程中，标签节点广播信息在[ti]时刻到达锚节点j的信息即TOA信息可以表示为：

[τjti= τjti+njti+ejti]

其中[τjti]表示系统测量的TOA信息；[τjti]表示真实的TOA值；[njti]表示系统测量误差，它服从均值为0，方差为[σ2N]的高斯分布；[ejti]表示锚节点j与标签之间由于非视距通信而增加的时延量。由于非视距时延与测量噪声在时间上不相关，则可得，非视距时延会造成测量TOA信息急剧变化，从而导致多次统计的TOA信息的均方差也出现急剧变化。但由于标签广播信息号的时间间隔的量级与TOA信息基本相同，无法忽略，因此无法直接使用TOA信息来进行比对判断是否有非视距通信的情况存在。

基于此，本文提出了一种改进的思想：将前文能够获得的TOA信息通过运算转换成与时间间隔无关的到达时间差信息（TDOA信息）。即借由TOA信息计算一个标签节点广播信息到达不同锚节点的时间差即为TDOA信息。可以借由位置固定且能够视距通信的锚节点能够获得的大量TDOA信息，获得其统计均方差作为参考均方差[σa]。同时，多次测量并记录各个锚节点与标签之间的TOA信息，计算相应的TDOA信息，统计对应TDOA信息的均方差[σ1，2σ1，3...σN，N-1]，其中[σ1，2]表示锚节点1与锚节点2之间TDOA信息的均方差，[N]表示锚节点个数。依据非视距误差存在与否时TDOA信息均方差的变化特性，分别将[σ1，2σ1，3...σN，N-1]与参考值[σa]进行对比，若[σN，N-1]接近参考值或等于参考值，则该两个锚节点都无非视距情况；若[σN，N-1]远远大于参考值，则该两个锚节点中至少有一个存在非视距情况，则继续选择锚节点[N-1]进行对比，直到筛选出所有非视距锚节点。完成非视距锚节点的剔除。从而提升系统定位精度。

2 基于ZigBee的定位系统

随着无线通信技术的不断发展，对轻量级、低功耗、架构简单、易于携带等方面的要求也越来越高，ZigBee协议就在这时应运而生。

相较于其他通信协议，ZigBee协议最大的特点就是：

1）低功耗。ZigBee协议本身在收发信息时的功耗情况就要远远由于其他无线通信协议，同时，ZigBee协议还在MAC层采用了休眠机制，这更加大大提升了ZigBee协议在功耗方面的优越性。有系统研究实验表明，基于ZigBee协议的无线节点，甚至只需要干电池供电，而且可以连续工作一年以上。

2）时延短、网络容量大。这里所说的时延包含两部分，分别是通信时延和设备激活时延。Zigbee的搜索时延为30ms，激活时延为15ms，接入时延为15ms。这就满足了许多对时延参数要求极高的场合，例如烟雾报警器等。相比于其他网络协议，Zigbee的网络容量是惊人的，每个Zigbee网络可以容纳65535个节点。

3）可靠性高。Zigbee使用了碰撞避免机制，这可以有效避免个节点收发数据时的竞争、冲突。MAC层完全确认的数据传输机制，保证了节点间传输信息的可靠性。

从表1可以看出ZigBee协议相较于其他协议尤其是传统无线传感器网络定位系统所使用的Wi-Fi协议在功耗方面的巨大优势。在成功降低傳感器节点功耗的同时，在系统通信距离方面的牺牲并不大，因此使用基于ZigBee的无线传感器网络定位系统，可以有效提升系统寿命。

3 结语

本文提出了一种非视距误差的鉴别补偿的算法，利用非视距通信造成节点之间通信时延增大这一特性，通过比对分析剔除非视距锚节点，借此实现非视距环境下系统定位精度的提升。此外，本文使用了基于ZigBee的定位系统，代替了传统基于Wi-Fi的无线传感器网络定位系统，对比和分析发现，ZigBee协议可以在大体不影响通信距离的情况下，成功降低传感器节点功耗，提升系统使用寿命，证明了方法的有效性。

参考文献：

[1] 郭金铭.基于ZigBee的无线传感器网络定位技术研究[D].华南理工大学，2013.

[2] 陈鹏飞，姜可宇，严祥忠.基于ZigBee的无线传感器网络定位技术研究[J].通讯世界，2017（24）.

[3] 李连，朱爱红.无线传感器网络中的定位技术研究[J].微计算机信息，2005（15）.

[4] 邓伟民.基于移动锚节点无线传感器网络定位的算法[J].现代计算机（专业版），2012（06）.