CN103037416A - 一种超宽带无线传感网中多节点协作测距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术，具体是一种超宽带无线传感网中多节点协作测距的方法。主要原理是：通过将测距请求帧和测距应答帧合二为一，分别广播直接后继节点和其他后继节点的传播时延，从而实现所有节点之间的测距，具体步骤是：组播发送测距帧、计算与直接后继的传播时延、组播发送与第一个后继节点之间的传播时延、计算与非直接后继节点的传播时延、组播与非直接后继节点的传播时延。至此所有的节点均知道了其与其他N-1个节点的传播时延，然后乘以电磁波的传播速度，即可得到与其他所有的N-1个节点的距离。该算法可以使用较少的数据通信让每个节点均获得所有的其他节点的距离，可用于基于超宽带的物联网、无线传感网中。

Description

一种超宽带无线传感网中多节点协作测距的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及超宽带（Ultra Wide Band,UWB）无线通信技术，具体是一种超宽带无线传感网中多节点协作测距的方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueTooth和UWB等，在办公室、家庭、工厂、公园等方面得到了广泛应用。

UWB无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从0到数十GHz的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线***可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、***复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，特别是在精确测距和定位领域有广泛的应用前景，成为短距离、高精度无线测距和定位的首选。IEEE（美国电气和电子工程师协会）于2007年最终通过的基于UWB的IEEE802.15.4a标准是第一个精确测距定位的无线物理层标准。

在传感器网络中网络节点个数很多，在传统的测距方法中，每个节点要想知道其他所有节点的距离必须向其他（N-1）个节点发送测距请求帧，其他（N-1）个节点再发送测距应答帧，所以完成一次全网的距离更新总共需要发送N*（N-1）个测距帧。为了减少在传感器网络中测距帧的数量，本发明提出了一种在超宽带无线传感器网络中多节点协作测距的方法。

发明内容

鉴于目前超宽带传感器网络中完成所有节点的测距需要发送大量测距帧的问题，本发明提出了一种在超宽带无线传感网络中多节点协作测距的方法，从而可以减少测距帧的数量、提高测距效率。

一种超宽带无线传感网中多节点协作测距的方法，包括以下步骤：

1）组播发送测距帧

从第1个节点开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每个节点n（1…N-1）均以组播的形式向其所有的前驱节点（n-1、n-2、……2、1）和第一个后继节点（n+1）发送一个测距帧；

只有当节点n（2…N-1）收到前驱节点n-1的测距帧后，第n个节点再延迟周转时延T，才发送第n个节点的测距帧，依此类推……；

2)计算与直接后继的传播时延

根据公式T_n,n+1=(R_n，n+1-S_n-T)/2(1≤n≤N-1)，分别计算每个节点n（1…N-1）与第一个后继节点（n+1）之间的传播时延T_n,n+1；

其中：S_n是第n个节点发送测距请求帧的时刻；R_n,n+1是第n个节点收到第n+1个节点发送的应答帧的时刻；

3）组播发送与第一个后继节点之间的传播时延

每个节点n（2…N-1）均向其所有前驱节点（n-1、n-2、2、1）组播发送其与第一个后继节点n+1的传播时延T_n,n+1；

4）计算与非直接后继节点的传播时延

根据公式 $T_{n,k}=R_{n,k}-S_n-\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}-\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T(1\&le;n<k\&le;N),$ 节点n（1…N-2）均计算得到与所有非直接后继节点（T_n,n+2、T_n,n+3……T_n,N）的传播时延T_n，k；

5)组播与非直接后继节点的传播时延

节点n（1…N-1）均向其所有的后继节点k（n+1，n+2，…，N）广播其与所有的后继节点的传播时延T_n，k。

至此所有的节点均知道了其与其他N-1个节点的传播时延，然后乘以电磁波的传播速度，即可得到与其他所有的N-1个节点的距离。该算法可以使用较少的数据通信让每个节点均获得所有的其他节点的距离，进而确定每个节点的相对位置。

附图说明

图1协作测距方法发送测距帧示意图；

图2协作测距方法测距流程图；

图3协作测距方法待求传播时延的矩阵示意图；

具体实施方式

1.测距基本原理

以下结合具体实施例和附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，假设网络中共有N个节点，而且因为在同一设备在同一环境下，物理层收到测距请求帧，然后传送到应用层，最后又组装成新的测距响应帧并发送所经历的时延，即周转时延应该相同。

从第1个节点开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每个节点（1…N-1）均以组播的形式向其所有的前驱节点和第一个后继节点发送一个测距帧。图中：

实心标签

：表示发送的帧；

空心标签

：表示接收到的帧；

T_k，n：表示从第k个节点到第n个节点之间的传播时延；

S_n：表示第n个节点的帧发送的时刻；

R_k,n：表示第k个节点收到第n个节点发送的测距帧的时刻；

T：表示收到测距请求帧，到发送测距应答帧之间的周转时延；

根据图1，可以得到以下表达式：

节点1中：

R_1,2-S₁=T_1,2+T+T_1,2

R_1,3-S₁=T_1,2+T+T_2,3+T+T_1,3

R_1,4-S₁=T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_1,4

R_1,5-S₁=T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_4,5+T+T_1,5

节点2中：

R_2,3-S₂=T_2,3+T+T_2，3

R_2,4-S₂=T_2,3+T+T_3,4+T+T_2,4

R_2，5-S₂=T_2,3+T+T_3,4+T+T_4,5+T+T_2,5

节点3中：

R_3,4-S₃=T_3,4+T+T_3，4

R_3,5-S₃=T_3,4+T+T_4,5+T+T_3,5

节点4中：

R_4，5-S₄=T_4,5+T+T_4,5

不失一般性，节点n发送帧后，又收到节点k发送的帧的时间间隔为：

$R_{n,k}-S_n=\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}+\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T+T_{n,k}(1=<n<k\&le;N)---\left(1\right)$

即：

$T_{n,k}=R_{n,k}-S_n-\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}-\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T(1=<n<k\&le;N)---\left(2\right)$

如果节点k为节点n的直接后继节点，则k=n+1，公式（1）可以简写为：

R_n,n+1-S_n=T_n,n+1+T+T_n,n+1         （1=<n<N）           （3）

即：

T_n,n+1=(R_n,n+1-S_n-T)/2            （1=<n<N）           （4）

2.实施例

本发明的实施步骤如图2所示。

1）组播发送测距帧

从第1个节点开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每个节点n（1…N-1）均以组播的形式向其所有的前驱节点和第一个后继节点发送一个测距帧。

只有当节点n（2…N-1）收到前驱节点n-1的测距帧后，第n个节点再延迟T时间，才发送第n个节点的测距帧，依此类推……。

假设当前是第n个节点在发送测距帧，发送的时刻为S_n，该测距帧只组播发送给节点n的所有的前驱节点（n-1、n-2、……2、1）和第一个后继节点（n+1）。而且所有的前驱节点将该帧看作为测距应答帧，后继节点n+1将其看作是测距请求帧。所有这些接收到该帧的时刻用R_k,n表示，即节点k接收到节点n发送的测距帧的时刻为R_k,n。

例如：假设当前是第3个节点在发送测距帧，则只有第1，2，4个节点接收该帧，其中第1，2个节点将其视为是测距应答帧，接收到该帧的时刻分别为R_1,3、R_2，3；第4个节点将其视为测距请求帧，接收到该帧的时刻为R_4,3。

2)计算与直接后继的传播时延

根据图1可以根据公式（3）和（4）得到以下关系表达式：

在节点1中可得：R_1,2-S₁=T_1,2+T+T_1,2所以T_1,2(R_1,2-S₁-T)/2

在节点2中可得：R_2,3-S₂=T_2,3+T+T_2,3所以T_2,3=(R_2,3-S₂-T)/2

同理，在节点n(1…N-1)中可得：T_n,n+1=(R_n,n+1-S_n-T)/2(1≤n≤N-1)，即公式（4）。

通过本步骤，每个节点n（1…N-1）均可以用公式（4）得到与第一个后继节点（n+1）之间的传播时延。如图3中每个对角线上方第一条对角线的点（1,2）、（2,3）、（3,4）、（4,5），即T_1,2、T_2,3、T_3,4、T_4,5。

3）组播发送与第一个后继节点之间的传播时延

每个节点（2…N-1）均向其所有前驱节点组播发送其与第一个后继节点的传播时延，即节点n（2…N-1）向所有的前驱节点n-1、n-2、2、1发送与第一后继节点n+1的传播时延T_n，n+1。例如：节点3需要向节点1,2发送与其与节点4的传播时延T_3,4。

4）计算与非直接后继节点的传播时延

在节点1中根据公式（1）和公式（2）可得：

因为R_1,3-S₁=T_1,2+T+T_2,3+T+T_1，3所以根据第（1）步自己测出的时刻R_1，3、S₁，第（2）步自己计算出的T_1,2，以及第（3）步接收到的T_2,3即可计算出T_1，3；

因为R_1,4-S₁=T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_1,4所以根据第（1）步自己测出的时刻R_1，4、S₁，第（2）步自己计算出的T_1,2，以及第（3）步接收到的T_2，3、T_3,4即可计算出T_1，4；

因为R_1,5-S₁=T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_4,5+T+T_1,5所以根据第（1）步自己测出的时刻R_1,5、S₁，第（2）步自己计算出的T_1，2，以及第（3）步接收到的T_2,3、T_3，4、T_4,5即可计算出T_1，5；

同理，在节点2中计算可以得到T_2，4、T_2,5；在节点3中计算可以得到T_3，5。.

依此类推，在节点n（1…N-2）中根据公式（2）可以得到T_n，n+2、T_n，n+3……T_n，N；

通过本步骤，节点n（1…N-2）均计算得到与所有非直接后继节点的传播时延，如图3中的（1,3）、（1,4）、（1,5），（2,4）、（2,5），（3,5），即T_1,3、T_1,4、T_1,5，T_2,4、T_2,5，T_3,5。

至此，如图3上三角所有的传播时延均已知，即每个节点知道了与其所有后继节点的传播时延。

5)组播与非直接后继节点的传播时延

节点n（1…N-1）均向其所有的后继节点k（n+1，n+2，…，N）广播其与所有的后继节点的传播时延T_n，k，例如：

节点1向节点2通知T_1,2，向节点3通知T_1，3，向节点4通知T_1，4，向节点5通知T_1,5……；

节点2向节点3通知T_2，3，向节点4通知T_2,4，向节点5通知T_2,5……；

节点3向节点4通知T_3,4，向节点5通知T_3,5……；

节点4向节点5通知T_4,5……；

通过本步骤，即可得到节点（2…N）与其所有前驱节点的传播时延，如图3中的下三角所有的点（2,1）、（3,1）、（4,1）、（5,1），（3,2）、（4,2）、（5,2），（4,3）、（5,3），（5,4），即T_1,2、T_1,3、T_1,4、T_1,5，T_2,3、T_2,4、T_2,5，T_3,4、T_3,5，T_4,5。

至此所有的节点均知道了其与其他N-1个节点的传播时延，然后乘以电磁波的传播速度，即可得到与其他N-1个节点的距离。虽然实例中使用的是5个节点，但是在上述步骤中都给出了N个节点的一般表达式，所以可以扩展到任意多个节点的协作测距。该算法可以使用较少的数据通信让每个节点均获得所有的其他节点的距离，进而确定每个节点的相对位置。

Claims (1)

1.一种超宽带无线传感网中多节点协作测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）组播发送测距帧

从第1个节点开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每个节点n（1…N-1）均以组播的形式向其所有的前驱节点（n-1、n-2、……2、1）和第一个后继节点（n+1）发送一个测距帧；

只有当节点n（2…N-1）收到前驱节点n-1的测距帧后，第n个节点再延迟周转时延T，才发送第n个节点的测距帧，依此类推……；

2)计算与直接后继的传播时延

根据公式T_n,n+1=(R_n,n+1-S_n-T)/2(1≤n≤N-1)，分别计算每个节点n（1…N-1）与第一个后继节点（n+1）之间的传播时延T_n,n+1；

其中：S_n是第n个节点发送测距请求帧的时刻；R_n,n+1是第n个节点收到第n+1个节点发送的应答帧的时刻；

3）组播发送与第一个后继节点之间的传播时延

每个节点n（2…N-1）均向其所有前驱节点（n-1、n-2、2、1）组播发送其与第一个后继节点n+1的传播时延T_n,n+1；

4）计算与非直接后继节点的传播时延

根据公式 $T_{n,k}=R_{n,k}-S_n-\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}-\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T(1\&le;n<k\&le;N),$ 节点n（1…N-2）均计算得到与所有非直接后继节点（T_n,n+2、T_n,n+3……T_n,N）的传播时延T_n,k；

5)组播与非直接后继节点的传播时延

节点n（1…N-1）均向其所有的后继节点k（n+1，n+2，…，N）广播其与所有的后继节点的传播时延T_n，k。

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