Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 9
1.1. Введение 9
1.2. Протокол IEEE 802.15.4 9
1.3. Радиочастотные методы локализации в БСС 11
1.3.1. Локализация с помощью силы сигнала (RSSI) 12
1.3.2. Глобальная система навигации GPS 14
1.3.3. Разница по времени прибытия 15
1.3.4. Сотовые сети GSM 16
1.3.5. ANSI 371.1 Система локализации в реальном времени RTLS (Wherenet, Inc.) 17
1.3.6. Сверхширокополосная локализация 17
1.3.7. Радиоинтерференционная система позиционирования RIPS 18
1.3.8. Метод TWTT 19
1.3.9. Сравнительный анализ методов локализации 20
1.4. Основные проблемы локализации в сенсорных сетях 22
1.4.1. Помехи 22
1.4.2. Временная синхронизация 27
1.4.3. Артефакты выборки 31
1.4.4. Особенности многолучевого распространения 36
1.5. Выводы 40
Глава 2. Исследование алгоритмов локализации элементов беспроводных сенсорных сетей 41
2.1. Постановка задачи 41
2.2. Процесс измерений и модель прохождения сигналов 43
2.3. Оценка точности процесса локализации для узлов с детерминированным местоположением 45
2.3.1. Граница Cramer-Rao для ошибок процесса локализации мобильного терминала 47
2.4. Нижние границы ошибок локализации с априорной информацией 51
2.4.1. Нижний предел Weinstein-Weiss 54
2.4.2. Расширенная версия нижнего предела Ziv-Zakai 59
2.5. Пределы для точности локализации по заданному набору информации 61
2.6. Вычисление пределов с многократными измерениями 63
2.7. Расчет расхода электроэнергии 66
2.8. Выводы 68
Глава 3. Комбинированный Метод локализации элементов БСС по уровню силы принимаемого радиосигнала и времени его двустороннего прохождения 69
3.1. Введение 69
3.2. Метод ранжирования по силе принимаемого радиосигнала RSSI71
3.2.1. Нижняя граница Cramer-Rao (CRB) для локализации по уровню силы принимаемого сигнала RSSI 73
3.2.1.1.CRB для единичного значения уровня силы сигнала RSSI 73
3.2.1.2.CRB в случае множественной выборки значений уровня силы сигнала RSSI 74
3.3. Метод ранжирования по времени двустороннего прохождения сигнала TWTT 76
3.3.1. Нижняя граница Cramer-Rao (CRB) для локализации по времени прохождения сигнала TOF 76
3.3.2. Разрешающая способность системы измерений 77
3.3.3. Синхронизация 79
3.3.3.1.Метод односторонней передачи 80
3.3.3.2.TWTT 80
3.4. Система измерения расстояний 81
3.5. Реализация системы 83
3.5.1. Аппаратная платформа для эксперимента 83
3.5.2. Формат фрейма и восстановление тактовой синхронизации 84
3.5.3. Алгоритм расчета времени прохождения сигнала 86
3.5.4. Проблемы интерференции 89
3.5.5. Границы ошибок TOF-метода 90
3.6. Адаптация комбинированного метода локализации 93
3.7. Выводы 97
Глава 4. Экспериментальная часть 98
4.1. Введение 98
4.2. Условия проведения эксперимента 99
4.2.1. Эксперимент в условиях прямой видимости узлов LoS 101
4.2.2. Эксперимент в условиях отсутствия прямой видимости узлов (NLoS) 103
4.2.3. Эксперимент в условиях закрытого помещения 104
4.3. Анализ результатов применения комбинированного метода локализации 108
4.4. Анализ энергоэффективности системы 110
4.5. Выводы 112
Заключение 113
Библиографический список: 114
- Радиочастотные методы локализации в БСС
- Оценка точности процесса локализации для узлов с детерминированным местоположением
- Нижняя граница Cramer-Rao (CRB) для локализации по уровню силы принимаемого сигнала RSSI
- Эксперимент в условиях отсутствия прямой видимости узлов (NLoS)
Введение к работе
Актуальность темы
Возможности современной микроэлектроники и беспроводных сетевых технологий открывают большие перспективы для создания разнообразных сетевых комплексов с широкой областью применения. Наиболее известной и зарекомендовавшей себя в этой области является технология беспроводных сенсорных сетей (далее - БСС или сенсорные сети). Основным их отличием от классических радиосетей является использование в качестве основных узлов сети большого числа недорогих микрокомпьютеров. Эти устройства настолько самостоятельны, что могут автоматически выстраивать распределенную беспроводную сеть и передавать информацию без участия человека. Как правило, с помощью сенсорных датчиков можно фиксировать изменения температуры, давления, влажности, уровня освещенности. В основном они используются как системы мониторинга и контроля. Большим преимуществом сенсорных сетей является возможность их использования как внутри помещений, так и за его пределами - в окружающей среде, благодаря чему, спектр их применения достаточно широк.
Принципиальная возможность определения местоположения объектов сенсорной сети в пространстве (локализация сенсоров) делает эти системы еще более привлекательными за счет дополнительной информационной составляющей, которая вкупе с основным параметром или комплексом параметров мониторинга, может дать исчерпывающую картину работы системы, поэтому поиск высокоэффективного алгоритма локализации остается актуальной проблемой на сегодняшний день.
Рассуждая о многочисленных преимуществах сенсорных сетей, стоит также упомянуть, что концепция данных сетей основана, в большей степени, на самостоятельности своих узлов, в том числе и в обеспечении электроэнергией, поэтому при стремлении к повышению точности процесса
локализации в системах, основанных на сенсорных сетях, мы должны бережно относиться к уровню потребления электроэнергии.
Опубликован ряд работ зарубежных авторов, посвященных вопросу локализации узлов в БСС на основе использования информации о взаимном месторасположении объектов сети (расстояний, направлений, азимута), получаемой в процессе работы. В связи с тем, что большинство этих методов обладают существенными недостатками, ограничивающими их применение для решения задачи локализации, то разработка метода локализации элементов БСС, который будет обладать высокой точностью определения расстояния между узлами сети и высоким уровнем энергоэффективности, а также будет производить анализ информации только из радио пакетов, передаваемых внутри сети, и не будет использовать дополнительные аппаратные средства, является актуальной областью для проведения научных исследований.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка энергоэффективного метода локализации элементов БСС на основе анализа и обработки радиосигналов, передаваемых только между узлами сети.
Задачи диссертационного исследования.
исследование методов определения расстояний между беспроводными устройствами;
изучение влияния ошибок измерений на работу алгоритмов определения расстояний между объектами;
разработка точного и энергоэффективного метода локализации узлов БСС на всем диапазоне действия радиосредств;
экспериментальная верификация энергоэффективности комбинированного метода определения расстояния между узлами БСС.
Методы исследования. В диссертационной работе используются: методы теории вероятностей, вычислительной математики, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
проведён анализ существующих методов локализации в беспроводных сетях, выполнена их классификация. Обоснован выбор методов;
изучено влияние ошибок на работу данных методов. Предложен алгоритм адаптации выбранных алгоритмов (RSSI и TWTT) для их совместной работы в рамках единой беспроводной сети;
3. предложен новый энергоэффективный комбинированный метод
определения расстояния между узлами сети на всем диапазоне
действия радиосредств, учитывающий наличие ошибок в процессе
измерения расстояний. Предложена математическая модель
оценки энергоэффективности для разработанного алгоритма
локализации;
4. созданы эффективные программные реализации, внедрённые в
существующую программно-аппаратную платформу.
Практическая ценность. Создан комплекс компьютерных программ для моделирования поведения беспроводной сенсорной сети и для моделирования работы алгоритмов определения расстояний между узлами БСС. Также реализован комплекс программ для проведения процесса локализации с помощью разработанного комбинированного метода, используемый на базе созданных малогабаритных макетов БСС стандарта IEEE 802.15.4. В составе комплекса реализована методика оценки энергоэффективности разработанного метода локализации.
Радиочастотные методы локализации в БСС
Учитывая потребность в радиосвязи, ориентированной на устройства с низким энергопотреблением, в 2003 году организацией IEEE был принят стандарт ШЕЕ 802.15.4, в котором определены физический и канальный уровни стека сетевых протоколов в беспроводных сетях, отвечающих данным запросам.
В данном документе на физическом уровне определены три диапазона частот: 868 МГц, 910 МГц, 2.4 ГГц, из которых на территории Российской Федерации доступен к использованию только диапазон 2.4 ГГц. В данном диапазоне определены 16 каналов шириной 5 МГц с несущими частотами, определяемыми из соотношения Fc = 2405 + 5(k-l)Mrii,k = 1..16
Скорость передачи в каждом канале составляет 250 кбит/с. Кроме того на физическом уровне определены возможности включения/выключения приемопередатчика, оценка уровня помех в канале, прием/передача данных, оценка уровня принимаемого сигнала.
На канальном уровне определены механизмы доступа к общей среде передачи данных, приведены общие рекомендации к построению топологии сети. В зависимости от требований предметной области такая сеть может работать в топологиях типа "точка-точка" или "звезда", при этом топология типа "звезда" в полной мере отвечает описанному выше сценарию использования беспроводной сети.
Организация вышестоящих уровней в документе ШЕЕ 802.15.4 не рассматривается, поэтому на данный момент доступно несколько вариантов организации полного стека сетевых протоколов, основанных на данном стандарте, в частности WirelessHART, ISA 100, ZigBee, из которых наиболее популярен ZigBee, добавляющий к IEEE 802.15.4 сетевой уровень и уровень приложений.
На сетевом уровне ZigBee определены механизмы маршрутизации и управления сетью (формирование логической топологии сети), которые рассмотрены в первой главе данной работы. Очевидно, что функционирование сетевого уровня, в частности формирование таблиц маршрутизации, напрямую определяется географическим месторасположением отдельных объектов. Тем не менее, возможная реализация механизмов определения координат ни в одном из указанных документов никоим образом не рассматривается, хотя в процессе работы объекта сети ему по стандарту теоретически доступна информация, указывающая на его месторасположение: 1. Содержимое таблиц маршрутизации (список близлежащих объектов сети - "соседей"); 2. Оценки уровня принимаемого сигнала (по которым можно оценить расстояния до близлежащих "соседей"); 3. Информация о координатах "соседей" (если таковые известны). По этой информации можно попытаться оценить географические координаты объекта сети.
Приведенные выше рассуждения могут быть полностью применены не только к сенсорным, но и к другим беспроводным телекоммуникационным сетям, в особенности к сетям сотовой связи, где на данный момент активно решается радионавигационная задача слежения за абонентом сети на основе оценок расстояний до ближайших базовых станций.
В данной работе рассматриваются различные методы оценки расстояний между сенсорными узлами, использующие радиочастотные (RF) измерения. Это наиболее эффективные методы локализации элементов сенсорных сетей, которые не требуют вспомогательного оборудования и обходятся встроенными радиопередающими средствами. Другие методы позиционирования (ультразвуковой, звуковой, световой), нецелесообразно рассматривать ввиду больших накладных расходов и трудности их внедрения в сенсорных сетях. Ультразвуковой и обычный звуковой сигнал имеют ограниченный диапазон и не очень хорошо проходят через препятствия по сравнению с радиочастотными сигналами. Акустические системы также нуждаются в дополнительных спикерах и микрофонах, которые слишком обременительны для задач, выполняемых сенсорными сетями. Процесс локализации с помощью световых лучей требует прямой видимости элементов позиционирования и строгой направленности источников света. Радиочастоты обладают достаточно хорошим уровнем распространения в пространстве, применимым для использования в БСС. Точность локализации зависит от тактовой синхронизации и точности воспроизведения частоты, а также подвержена помехам и различным деструктивным эффектам, свойственным каналам с многолучевым распространением. Ширина полосы частот сигнала также является важным фактором, влияющим на точность позиционирования.
Локализация с помощью силы сигнала (RSSI)
Радиочастотный метод определения расстояния между объектами по уровню силы сигнала RSSI используется во многих системах как суррогат для процесса локализации. В открытом пространстве мощность радиочастотного сигнала может быть рассчитана с помощью формулы Фриса
Мощность полученного сигнала Ргх убывает с увеличением дальности R в квадратичной зависимости. Это основная связь между RSSI и расстоянием. В реальных условиях, когда среда распространения сигнала может быть неоднородна и подвержена эффекту многолучевого распространения, мощность сигнала не столь очевидно указывает на истинное значение расстояния между источником и получателем. При попытке локализации объектов в среде многолучевого распространения можно столкнуться с конструктивной и деструктивной интерференцией, что в данном случае приведет к тому, что позиция объекта не будет совпадать с соответствующей мощностью сигнала
Оценка точности процесса локализации для узлов с детерминированным местоположением
ANSI 371.1 - это стандарт, определяющий требования к физическому уровню и точности локализации для систем локализации в реальном времени (RTLS - real time location system), основанный на научной разработке фирмы WhereNet Inc. Метод основан на использовании 2.4 ГГц канала с прямой последовательностью расширения спектра (DSSS - direct sequence spread spectrum), при этом используются синхронизованные по времени базовые станции и несложные устройства-метки, запрограммированные на регулярную отправку сигналов. Процесс локализации устройств-меток основан на принципах TDOA, при этом, базовые станции устанавливаются под куполом производственных помещений или на высоких точках используемой местности. Сигнал локализации с 60 МГц полосой передается на 2.4 ГГц канале и содержит идентификатор устройства, а также информационную составляющую, в которую можно записать любую служебную информацию.
Сверхширокополосная локализация
Компания Ubisense разработала сверхширокополосный метод локализации, совмещающий измерения по разнице прибытия сигналов и углу прибытия для вычисления устройства-метки. Эти устройства оборудованы приемопередатчиками 802.11b для передачи информации и, собственно, сверхширокополосными передатчиками для локализации. Устройства-метки предназначены для функционирования в течение продолжительного отрезка времени и регулярной отправки сверхширокополосных сигналов для позиционирования. Базовые станции сложные устройства, имеющие множество антенн, которые используются для вычисления угла прибытия сверхширокополосных сигналов. Эти антенны связаны с приемником сверхширокополосных сигналов, которые точно вычисляют время прибытия сигнала до того, как эта информация будет передана на центральный сервер; на котором вычисляется позиция объекта. Обычно сверхширокополосный сигнал занимает 2 ГГц полосу, и точность локализации достигает 15 см. Но как у любой системы ранжирования, максимальная точность не может быть достигнута при отсутствии прямого пути передачи сигнала. Процесс изучение географических особенностей местности помогает определить наиболее оптимальные точки расположения базовых станций и снизить собственно их количество. Для всех систем, основанных на временной синхронизации, процесс инсталляции длительный и затратный.
Радиоинтерференционная система позиционирования RIPS В основе метода радиоинтерференционного позиционирования лежит идея использования интерференции между радиосигналами, близкими по частоте. Этот алгоритм нельзя строго отнести к методам ранжирования потому, что большое количество расстояний между узлами сети вычисляется одновременно с использованием большого количества сетевых измерений. Необходимо четыре узла для реализации радиоинтерференционного измерения, показанного на рисунке 1.3. Два устройства передают немодулированные сигналы на несущих частотах, с небольшим отклонением в I кГц. Сигналы интерферируют на приемниках и порождают сигнал с определенной огибающей на различных частотах. Эта огибающая может быть вычислена с помощью силы получаемых радиосигналов, и относительного сдвига по фазе ф между огибающими сигналов, зарегистрированными на двух получателях. Сдвиг по фазе содержит информацию, касающуюся расстояний между четырьмя узлами ф = 2Tr(dAD - dBD + dBC - (ІАсУЛсаггіе,., где \arrier - несущая частота. Этот метод не нуждается в очень точной временной синхронизации или тщательного процесса обработки сигналов, но требует радиопередатчики с точным контролем несущей частоты переданного радиосигнала. В открытом пространстве RIPS может достигать точности в несколько сантиметров при активном диапазоне в несколько десятков метров. Основной недостаток алгоритма заключается в том, что точность определения расстояний зависит от фазы несущей частоты, которая, в свою очередь, чувствительна к эффекту многолучевого распространения.
Метод, работающий на основе времени двусторонней передачи TWTT был впервые предложен в 60-х годах для обеспечения максимально точной синхронизации по времени между наземными станциями, использующими спутниковые линии связи. Выполняя последовательность TWTT измерений на протяжении определенного промежутка времени, значения времени синхронизации и времени полета сигнала могут быть сделаны за несколько наносекунд. Возможность использования этого метода рассматривалась для сверхширокополосных систем ранжирования, где значения Es/N0 достаточно низки, чтобы с помощью фильтра соответствия достигнуть CRB. Основная, проблема данного метода ранжирования заключается в трудности дискретизации временных промежутков при прохождении сигнала на малых расстояниях между узлами, участвующими в позиционировании, и повышенном уровне потребления, следующим из повышенного количества проводимых измерений на таких дистанциях. Недавние исследования с применением сверхширокополосных приемопередатчиков, позволили снизить уровень потребления электроэнергии по сравнению с аналогичными методами, но получатели сигнала потребляют немалую часть энергии и взаимодействуют на расстоянии до нескольких метров. Узкополосные радиопередатчики 802.15.4 могут активировать свой передатчик, отправить полный пакет (150 байт) на десятки метров, получить подтверждение о приеме и уйти в спящий режим всего за 5 мс. Радиоаппаратура потребляет за этот период приблизительно 20 мВт и примерно 100 мкДж на пакет.
Сравнительный анализ методов локализации
Практически все способы локализации, применимые для использования в беспроводных сенсорных сетях, имеют какие-либо недостатки, которые заставляют задуматься о рациональности их применения для решения определенных задач. Одни из них обладают относительно высокой точностью, но могут привести к повышенному уровню потребления электроэнергии или потребовать дополнительной аппаратуры, что усложнит процесс локализации в целом и приведет к дополнительным затратам. С другой стороны, тривиальные и легко реализуемые в сенсорных сетях алгоритмы, могут не обеспечить достаточной точности, необходимой для решения поставленных задач. Использование системы глобальной навигации GPS в сенсорных сетях не выгодно из-за высокого уровня энергопотребления и немалой стоимости оборудования. Ее применение было бы оправдано для привязки сенсорной сети или ее сегментов к глобальным координатам.
Стандарт ANSI 371.1 (Wherenet Inc.) подразумевает использование дополнительных устройств-меток, четкой временной синхронизации между базовыми станциями и обладает повышенным уровнем энергопотребления.
Сверхширокополосный метод, работающий по времени двусторонней передачи сигнала (UWB TWTT) обладает достаточно высокой точностью, но потребляет большое количество энергоресурсов сенсорных датчиков. Также требуются специальные радиопередатчики для работы в сверхширокополосном диапазоне, которые имеют более высокую цену и обычно не ставятся на большинство выпускаемых моделей сенсорных плат.
Наиболее предпочтительными являются методы, работающие на основе силы сигнала RSSI или по времени прибытия TOF. Большинство моделей сенсорных датчиков имеют возможность определять силу сигнала, и для этого не требуется дополнительной аппаратуры и энергоресурсов.
Нижняя граница Cramer-Rao (CRB) для локализации по уровню силы принимаемого сигнала RSSI
Развитие полностью интегрированной системы с низким уровнем потребления электроэнергии и дешевым коммуникационным оборудованием является основным направлением исследований систем мониторинга, отслеживания и контроля, построенных на технологии БСС. Определение местоположения сенсорных узлов в пределах функционирования этой сети предоставляет дополнительную информацию относительно других измеряемых величин. Сенсорные сети обычно разворачиваются без предварительной информации о местоположении своих узлов и поэтому методы определения их относительных или абсолютных координат необходимы.
Для определения местоположения «слепых» сенсорных узлов, сначала выполняется измерение расстояний между элементами или углов прибытия сигнала для определения опорных узлов или базовых станций, которые имеют априорную информацию о своем местоположении относительно локальных или глобальных систем координат. Далее используется алгоритм для расчета положения «слепых» устройств относительно опорных узлов. Таким образом, процесс локализации разбивается на 2 стадии: 1) измерение углов или расстояний и 2) вычисление местоположения «слепых» устройств. В этой главе мы сфокусируемся на проблеме точного расчета расстояний «точка-точка» между двумя сенсорными узлами, вовлеченными в процесс локализации БСС и, собственно, вычисления положения «слепых» устройств.
Обычно требования к точности процесса ранжирования составляют не менее одного метра с использованием недорогого оборудования с низким коэффициентом затрачиваемой электроэнергии на передачу. Наиболее используемыми методами локализации являются TOF и RSSI. TOF подразумевает измерение времени передачи сигнала в порядке его следования по пути «точка-точка». Он хорошо работает в условиях среды многолучевого распространения. Напротив, RSSI использует измерение уровня ослабления сигнала при.передаче через беспроводной радиоканал. Из-за своей простоты RSSI используется на многих аппаратных платформах БСС. Основным фактором, влияющим на точность процесса локализации RSSI, является эффект многолучевого распространения.
В этой главе мы рассмотрим комбинированный радиочастотный метод ранжирования по силе принимаемого сигнала RSSI и времени пролета (TOF), основанный на расчете времени двустороннего прохождения сигнала (TWTT) между узлами БСС.
Альтернативный метод TOF-ранжирования подразумевает использование ультраширокополосной радиосвязи для достижения погрешностей менее 1 м, однако эти методы имеют небольшой активный диапазон ( 100 м) из-за ограничений по мощности передачи. Основная задача состоит в достижении минимальных погрешностей локализации на уровне ультраширокополосной радиосвязи ( 1 м), но с использованием обычных для ШЕЕ 802.15.4 узкополосных радиочастот. Для этих целей разработан алгоритм, основанный на измерении сдвигов по частотам между передающим и принимающим устройством в порядке фазовых смещений получаемых TOF сигналов. Этот подход с временной зависимостью в сравнении с альтернативными, зависящими от частот алгоритмами.
При наличии небольших расстояний между участниками процесса ранжирования необходима высокая частота дискретизации на приемопередающей радиоаппаратуре, а также увеличенное количество ранжирующих транзакций. С целью экономия электроэнергии и повышения точности процесса локализации на всем диапазоне действия беспроводной сенсорной сети, на более коротких дистанциях между узлами сети используется методика анализа силы принимаемого сигнала.
Этот подход реализован с помощью отладочных наборов Texas Instruments СС2530 и NXP Jennie JN5148. Ранжирующие транзакции выполняются в 2.4 ГГц ISM диапазоне на единственном канале для совместимости разрабатываемого алгоритма стандартам протокола ШЕЕ 802.15.4. Метод может быть реализован в сопоставимых коммуникационных схемах с различными техниками модуляции радиосигналов.
Метод ранжирования по силе принимаемого радиосигнала RSSI Радиочастотный метод ранжирования по силе сигнала RSSI используется во многих системах локализации. В открытом пространстве мощность радиочастотного сигнала может быть рассчитана с помощью формулы Фриса (1.1) Ptx Ргх " (4TTRA)2
Мощность полученного сигнала Ргх убывает с увеличением дальности R в квадратичной зависимости. Это основная связь между RSSI и расстоянием. В реальных условиях, когда среда распространения сигнала может быть неоднородна и подвержена эффекту многолучевого распространения, мощность сигнала не столь очевидно указывает на истинное значение расстояния между источником и получателем.
Большинство радиопередатчиков дают возможность работы с индикатором силы полученного сигнала RSSI, и эта величина доступна пользователю без требования дополнительных аппаратных средств или издержек электроэнергии, что объясняет популярность этого технического приема. При попытке локализации объектов в среде многолучевого распространения можно столкнуться с конструктивной и деструктивной интерференцией, что в данном случае приведет к тому, что позиция объекта не будет совпадать с соответствующей мощностью сигнала. Этот эффект также зависит от частоты, так что при различных несущих частотах может появиться несоответствие результата. На рисунке 1.1 показан пример зависимости силы полученного сигнала от расстояния в условиях замкнутого помещения. Ошибка при подсчете расстояния, если это выразить количественно, обычно пропорциональна самому расстоянию, так что на более маленьких расстояниях погрешности могут быть в пределах метра.
Эксперимент в условиях отсутствия прямой видимости узлов (NLoS)
Для эффективного распределения электроэнергии при проведении процесса локализации в предыдущей главе был предложено использование комбинированного подхода. Данный подход позволяет снизить уровень энергопотребления за счет проведения расчета по времени двустороннего прохождения сигнала на более длинных расстояниях между узлами.
Основной величиной, по которой определяется целесообразность проведения дополнительной процедуры ранжирования по времени двустороннего прохождения, является показатель уровня качества принимаемого радиосигнала LQI (Link Quality Index). Этот параметр можно извлечь из любого пакета, передаваемого в сети, работающей по стандартам утвержденного протокола беспроводной радиосвязи IEEE 802.15.4. LQI является относительной величиной, по которой может быть рассчитан индикатор силы получаемого радиосигнала и, соответственно, проведен расчет расстояния между объектами.
В данной главе, экспериментальным способом, для различных сред распространения сигнала, были рассчитаны показатели LQI имеющихся аппаратных средств ТІ CC2530DK и NXP Jennie JN5148. Результаты эксперимента показали, что npH LQI 88, соответствующих расстояниям менее 35 метров, проведение дополнительного процесса ранжирования по принципу двустороннего времени прохождения сигнала, представлялось избыточным.
На рис. 4.12 и 4.13 можно наблюдать распределение результатов эксперимента в пределах 70 и 60 метров при условиях LoS и NLoS условиях распространения сигнала соответственно. В диапазоне 35 метров распределение результатов методов ранжирования по RSSI и TWTT для обоих сред распространения сигналов примерно одинаковы и близки к действительному значению текущего расстояния между объектами.
Нетрудно заметить, что для метода локализации по времени двустороннего прохождения TWTT, этот период на коротких дистанциях больше, чем действительное расстояние и расстояние, рассчитанное из индикатора силы сигнала. На рисунке 4.11 видны результаты в условиях распространения сигнала в помещении. Даже с увеличением количества , ранжирующих транзакций, разрешающей способности TWTT метода недостаточно для проведения процесса локализации на расстоянии до 10 метров.
В процессе разработки методов локализации основных узлов беспроводных сенсорных сетей, как указывалось ранее, должен учитываться один из наиболее важных факторов для такого рода сетей -энергоэффективность. Сенсорные микрокомпьютеры в большинстве случаев работают в условиях максимального уровня сохранении энергии, поэтому при реализации разработанных систем позиционирования, которые накладывают дополнительные накладные расходы на систему но энергообеспечения, должен, в первую очередь, учитываться уровень расхода электроэнергии, необходимый для выполнения задач локализации. Для расчёта общего уровня энергозатрат, накладываемых использованием разработанного алгоритма локализации, нужно учитывать количество транзакций ранжирования, необходимых для проведения точного процесса ранжирования с учетом времени задержки. Для оценки необходимого количества дополнительных транзакции TWTT-ранжирования была приведена система уравнений (3.18), результат применения которой приведен на рисунке 3.13.
С учетом результатов распределения плотности вероятности для методов ранжирования, приведенных в системе уравнений (3.18), и рассчитанного необходим на активном диапазоне действия его радио-приемопередатчика с учетом допустимой погрешности в различных условиях распространения сигнала. Общий уровень энергопотребления для комбинированного метода приведен на рисунке 4.14
При уровне LQI 88 точность RSSI метода начинает заметно падать, но на более длинных расстояниях между узлами TWTT-метод решает эти проблемы за счет более длинных временных промежутков двустороннего прохождения сигнала, которые проще анализировать с учетом ограниченной дискретизации на приемопередающем радиооборудовании сенсорных узлов.
В этой главе мы рассмотрели возможность применения комбинированного подхода к использованию локализации по силе принимаемого сигнала, а также нового метода локализации в беспроводных сенсорных сетях, основанного на использовании узкополосного двустороннего алгоритма ранжирования с учетом фазо-временного сдвига. Был проведен эксперимент с использованием каждого метода в отдельности. Показатели TWTT и RSSI методов на различных расстояниях между объектами, а также в различных условиях распространения сигнала, были проанализированы и учтены при разработке комбинированного метода.
Комбинированный метод обладает низким уровнем энергопотребления, не требует дополнительных аппаратных средств. Это единственный метод радиочастотной локализации, использующий расчет времени прибытия сигнала, учитывающий относительный сдвиг по фазе между частотами на двух приемопередатчиках, вовлеченными в процесс TWTT-ранжирования. Метод обладает существенными преимуществами для использования в беспроводных сенсорных сетях, где ее основные элементы обязаны обладать низким уровнем энергопотребления.
По результатам проведённых исследований и разработок можно сделать следующие заключения и выводы.
Проведён анализ различных методов определения расстояния между узлами беспроводных сенсорных сетей, работающих по стандартам протокола IEEE 802.15.4, выполнена их классификация, определены основополагающие принципы работы, выявлены основные недостатки и преимущества. Обоснован в качестве основных механизмов локализации выбор алгоритмов ранжирования по уровню силы принимаемого сигнала RSSI и по времени двустороннего прохождения сигнала TWTT.
Изучено влияние ошибок на работу данных методов. Предложен алгоритм адаптации выбранных алгоритмов (RSSI и TWTT) для их совместной работы в рамках единой беспроводной сети.
Дано определение новому комбинированному методу локализации в беспроводной сенсорной сети. Обоснована необходимость применения данного метода для организации точного и энергоэффективного процесса локализации в БСС. Применен алгоритм оценки эффективности данного метода локализации с использованием нижнего предела Cramer-Rao. Произведён исследование наиболее оптимального режима работы данного. метода относительно сохранения минимального уровня энергопотребления при высокой точности. Предложена математическая модель оценки энергоэффективности для разработанного алгоритма локализации;
На основе разработанных в диссертационной работе моделей и алгоритмов созданы и внедрены эффективные программные реализации для существующих программно-аппаратных платформ Texas Instruments CC2530DK и NXP Jennie JN5148.
