算法分析
异步无线传感器网络定位算法研究
许鲁宁倪荣需解延春
(国防科技大学电子科学与工程学院湖南长沙410073
数事执本开与或用
摘要：本丈讨论了一种基于钟差补偿的异步无线传感器网络定位算法,网络中各个节点时钟是不同步的。在错节点相对定位时利用锚节点钟差补偿信号飞行时间(TOF),减少钟差对锚节点相对定位的影响。标签定位时利用钟差的最小二象估计补偿原始TDOA,实现标签的精确定住,解决了时间不同步造成的定住误差过大的问题。最后通过仿真验证了算法有效性。
关键词：异步无线传感器网络定位到达时间差飞行时间钟差中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号:1007-9416(2016)04-0128-03
Abstract: This paper discuses a localization algorithm based on the clock offset compensantion for asynchronous Wireless Sensoe Networks with the clock of each node is not synchronized. The ckock ofiset between anchor may be Lsed to compensate the time of flight of signal while the rehtive localization of anchors happens, the effect of clock offset on the relative localization can be reduced. The least square estimation of the clock offset is used to compensate the of the original TDOA of tag localization,the precise localization of the tag can be achieved. The problem of localization error due to time asynchronous of WSN can be solved. The effectiveness of the proposed algorithm can be demonstrated by simulations
Key Words: asynchronous wireless sensor network:localization; timedifferenceofarrival; timeofflight; the clock offset
随着无线通信、微电子技术和微处理技术的发展，无线传感器网络(WSN)在环境监测、军事应用、医疗保健等领域受到越来越多的关注"。相比非测距的定位算法，基于测距的定位算法获得的节点定位更精确"，其定位过程分为两步；测量定位信息和计算节点位置，定位信息的测量方法有5种：TOA(到达时间),TOFA),TDOA(到达时间差)34)AOA((到达角度),RSSI(信号强度)。其中TOA、TOF、 TDOA方法是基于时间进行的，可以得到的定位精度较高，但是节点时钟同步的精度极大地影响节点定位精度，因此需要对节点的时钟同步深人研究。
WSN有时是一个异步的动态网络，节点的位置可能会发生未知移动，如火场中的消防员定位，本文提出异步的移动WSN定位算法。不需要繁项的时间同步协议和复杂的硬件，只在定位计算时对
时间信息进行补偿，达到异步WSN的时间同步要求。 1定位模型
本文主要研究视距条件下节点相对定位的问题。传感器节点分为：锚节点和标签。锚节点是位置不确定的参考节点，供电稳定，数量有限，预先设计好大概的位置以保证覆盖服务区域。标签是待定位的移动节点，体积小，硬件配置简单，能量供应有限。为获得锚节点的相对位置，所有锚节点周期性的发送信号，各锚节点按其本地时钟标记信号的TOA，定位服务器利用TOA信息计算出锚节点的钟差和相对位置。标签定位时，锚节点标记标签信号的TOA，由于锚节点之间存在钟差，导致标签信号的原始TDOA出现偏差，钟差补偿后可以减少这种偏差，实现标签的精确定位。
WSN中设定有N个位置未知的锚节点，相对位置为：Z，，其中 i=1].V。标签位置为Z。。每个锚节点以T为周期按照其本地时钟发送一次信号，错节点的广播数据包或脉冲称为错节点blink。一轮 blink周期内，每个错节点轮流发送一次信号。本文微以下几个假设：
(1)时钟频移范围是[10°，10°1。节点配置普通品振时钟，计时精度取决于品振的准确性和稳定度，
(2)线性时钟模型。每个错节点理想时钟的标称频率为了。，由于收稿日期：201602-26
生产工艺和工作温度的影响，时钟的频率会发生相对稳定的偏移，频率偏移设为A，工作频率为3：
=(1+)
(1)
(3)按照IEEE802.15.4a协议的规定，选取出ISM频段内短距离无线通信的最大发送距离，典型值是300m，节点间的传输时延不超过10s。
2锚节点钟差计算和相对定位
2.1锚节点钟差计算
为获得锚节点钟差，每个锚节点周期性的发送信号。在一轮 blink周期内，错节点p发送blink信号，锚节点i和/按各自本地时钟标记的信号TOA，锚节点i和J之间的真实钟差,(T+T,)和测量钟差(T+r,)分别为：
V,(T+r,)=,(T+r_),(T+r,)(s, s,) n,(T+r,)=t,(T+t,)..(T+r,)(s,S,)
(2)(3)
其中i,J,p=1,.,N。t,是一轮blink的开始时刻到错节点P发送信号时刻的时间差。,。(T+↑。）是错节点i按其本地时钟获得的TOA测量值。，(T+T,)是对应锚节点i本地时钟的TOA真实值。 s，=Z-Z/c是锚节点和锚节点P之闻的传播时延，c是光速。
错节点1和的真实钟差和频差的关系近似为：
W, (T+,)W,(T+,)+O,[t(T+,)f,(T+,))
(4)
定义S,=A-从为错锚节点1和j之间的频差。由(2),(3),(4)可以推出测量钟差为：
n, (T+t,) =Wg(T+r,)+n(T+t,)n, (T +t,)
(5)
+o,E(T+,)t(T+,))
基金项日：国家自然科学基金(61571452)
作者简介：计许鲁宁(1983一),男，山东威海人,硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络、通信信号处理。倪荣需(1993一),男，湖北象阳
人,项士研究生,主要研究方向为无线传感器网络、通信信号处理。谢延券(1987一),男，青海西宁人,硕士研究生,主要研究方向为无线传感器网络、通信信号处理。