无线传感网络低累积误差多跳时钟同步

针对时钟分发过程中随机发送延迟所造成的误差累积进行了研究, 提出一种多跳时钟同步(multi-hop time synchronization, MTS)算法。该算法通过将同步应答与下一跳时钟同步相合并, 结合TPSN和RBS的优点, 消除了时钟同步信息在中间节点转发过程中引入的发送端随机时延误差, 并对接收端随机时延进行1/2的削弱。理论分析了算法协议模型的累积误差, 并在OMNeT++多节点仿真环境中验证和比较了其有效性。     

基于卡尔曼滤波的TDOA/AOA混合定位算法

提出了一种利用两次卡尔曼滤波实现非视距环境中TDOA/AOA混合定位方法。根据类正态分布密度曲线是最小二乘意义下对指数分布密度曲线的最优拟合的思想建立TDOA误差模型,先利用卡尔曼滤波对TOA测量值进行预处理以消除NLOS误差,再把经过预处理的TOA测量值输入到卡尔曼滤波器来实现TDOA/AOA混合定位。仿真结果表明,该方法的定位误差性能明显优于单纯的TDOA定位方法以及服从指数分布误差模型下的TDOA定位方法。     

无线传感器网络中基于超宽带的TOA/AOA联合定位研究

提出一种基于超宽带(ultra wideband,UWB)信号到达时间估计(time of arrival,TOA)/到达角度估计(angle of arrival,AOA)联合估计的无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)定位方案,只需要一个参考节点就可以实现对其他传感器节点的2D相对定位,并且不需要时钟同步,适合于传感器网络节点的低成本设计需求.利用往返时间(round trip time,RTT)进行TOA估计,给出了基于多径检测的TOA估计算法;利用到达时间差估计(time difference of arrival,TDOA)进行AOA估计,因而无需借助复杂的天线波束赋形技术.同时,分析了定位误差模型对定位性能的影响,并通过IEEE802.15.4a信道下的仿真实验进行了验证,结果表明了所提方案的有效性.     

基于时间测距的矿井人员定位方法研究

研究了4种基于时间测距的矿井人员定位方法:TOA、TWR、SDS-TWR和TDOA定位方法,它们受巷道环境等影响小,适用于煤矿井下人员精确定位。TOA定位方法要求发射设备和接收设备的时间必须严格准确同步,对发射设备和接收设备时钟精度要求非常高,并且要同步校准,定位卡和定位分站成本高。TWR定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步,降低了系统复杂度和成本,但定位精度受定位分站和定位卡的时钟误差影响,定位卡和定位分站成本较高。SDS-TWR定位方法不要求信号发射设备与接收设备时钟严格同步,降低了分站和定位卡的时钟误差对定位精度的影响,但定位精度仍受定位分站和定位卡的时钟误差影响,定位卡和定位分站成本较高。TDOA定位方法要求定位分站之间的时间必须严格准确同步,对定位分站时钟精度要求高,并且要同步校准,定位卡成本低,定位分站成本高。     

ZigBee-WiFi协同无线传感网络的节能技术

为使无线传感网络实现高效节能,提出一种新颖的基于ZigBee-WiFi协同方式进行的时钟同步机制。ZigBee无线传感节点可以通过内置的接收信号强度寄存器(RSSI),感知同一频段下WiFi周期性发送的信标帧,并用其作为参考时钟,通过补偿校正本地的时钟,但此方法校正后时钟偏差较大;在此基础上提出一种基于状态空间的时钟模型,采用卡尔曼滤波器和离散线性定常系统的二次型最优控制校正算法跟踪并校正状态变量,获得很好的时钟校正精度。分析时钟同步误差与校正周期的关系,综合多方面因素,与工业中常用的异步时钟机制进行对比,比较结果表明,该时钟同步机制使ZigBee网络节能效果显著提高。     

超宽带室内环境下的TDOA/AOA定位系统

为了实现室内环境下的高精度定位,根据IEEE802.15.3a标准工作组提出的UWB室内信道模型,设计了一种基于卡尔曼滤波器的TDOA/AOA定位系统.在这个定位系统中,使用NLOS鉴别模块实时地检测信道的NLOS参数,再根据鉴别结果自适应地选用无偏/有偏卡尔曼滤波器,以消除TOA中的NLOS误差,同时对NLOS情况下的AOA数据加以抛弃,最后使用扩展卡尔曼滤波器实现TDOA/AOA混合定位.仿真结果显示,本系统能够实现超宽带室内环境下的高精度定位.     

R-TWR:一种基于时钟频率比的TOA测距新方案

TWR(Two way Ranging)和SDS-TWR(Symmetric Double Side-Two way Ranging)是IEEE802.15.4a中定义的两种TOA测距方案,主要用于无基础设施和额外同步机制条件下的节点定位/跟踪等应用.通过分析指出:TWR测距方案具有较高的测距容量且对节点移动的敏感度低,但其测距误差较大;SDS-TWR虽然能有效降低时钟频偏带来的测距误差,但其测距容量较低并且对节点移动的敏感度高.在此基础上,提出一种基于时钟频率比的TOA测距新方案R-TWR(Frequency Ratio Based TWR).分析及仿真证明,该方案能达到SDS-TWR方案的测距准确度,并和TWR一样对节点移动的具有较高的测距容量和较低的移动敏感度.     

时钟同步积累误差补偿的传感通信优化仿真

时钟同步是传感器网络通信中的关键技术,但是在有限节点传感网络信息传递过程中,多采用先同步局部范围的节点,在扩展到所有节点,在局部与整体的切换过程中,信息在不同层传递,存在层间不定的时间同步随机时间延迟,传统的传感网络时间延迟消除方法是假定不同网络层时延一致的情况,对应层同量补偿误差较大,误差消除效果不佳.提出采用自回归积分滑动控制算法的时钟同步累计误差补偿方法.在传感通信中,将传感网络分割为若干个子单元,获取对应局部区域的时间域窗口结构,在指定时域窗口中将所有的节点展开,计算传感网络累计延迟率.根据时钟同步累计误差补偿目标函数,建立自回归积分滑动控制模型,实现时钟同步累计误差补偿.实验结果表明,利用改进算法进行传感通信网络的时钟同步累计误差补偿,能够降低传感网络的延迟性,满足传感网络通信需求.     

传感器网络中基于时钟偏移的伪造节点攻击检测技术

研究一种基于时钟偏移的传感器网络中伪造节点攻击被动式检测技术。以节点之间的时钟同步数据作为输入,构建相对发送/接收时间差序列,提取数据发送源的相对时钟偏移。在此基础上,提出了DSNA（detect spoofed node attack）算法,通过检测相对发送/接收时间差序列异常识别伪造节点攻击,进一步在确定了攻击模式的基础上,对不同节点所发送的同步数据进行分类并提取时钟偏移作为指纹识别出伪造节点。在真实传感器网络环境下对检测技术进行了验证,结果表明该方法可以在被动方式下,快速准确地实现对伪造节点攻击的检     

基于TDOA方法的无线传感器网络运动参数估计方法

采用移动目标与信标节点间的到达时间差(TDOA)测量,提出了移动目标运动参数包括初始位置及速度的共同估计方法。通过建立移动目标运动参数估计的优化模型,首先推导了移动目标初始位置及运动速度估计的非约束线性最小二乘(ULLS)法。然后将优化模型松弛为凸优化的半正定规划(SDP)问题,又设计了运动参数估计的SDP算法。仿真分析表明,TDOA方法能有效避免到达时间(TOA)测量的时钟同向误差,提高位置的估计精度。由于使用了约束条件,基于TDOA测量的SDP算法估计误差比ULLS算法的估计误差更小,但是计算复杂度较大。TDOA-ULLS和TDOA-SDP算法能有效减少时钟同向误差引起的估计误差,采样周期和采样点数量的增加也能有效提高估计精度。     

一种NLOS环境下的TDOA/AOA定位算法

在LOS环境下,Chan算法有着较好的定位精度,基于Chan算法的到达时间差/到达角(TDOA/AOA)算法比Chan算法有了进一步提高。但是在NLOS环境下,这些算法的精度都将大大下降,由于AOA的测量值有较大误差,TDOA/AOA方法的精度甚至低于Chan算法。并且这些算法的主要缺点是在第一次加权最小二乘法(WLS)中把移动台的横坐标、纵坐标与移动台到服务基站的距离作为三个相互独立的变量,忽略了三者之间的相关性,因此要进行第二次WLS才能得到定位结果,且最终的解为二值根。对误差的均值和方差进行了估计,修正了TDOA与AOA测量值,用Kalman滤波算法对AOA的值进行了估计,利用移动台坐标与AOA之间的关系将三个变量简化为一个,只需一次WLS即可求得唯一解,减少了计算量,消除了根的模糊性。仿真结果表明,该方法简单,计算量小,有较高的定位精度和较好的稳健性,性能优于Chan算法和基于Chan算法的TDOA/AOA算法。     

NLOS环境下TDOA/AOA混合定位算法研究

在CDMA的网络环境下,TDOA/AOA混合定位算法能够比Chan算法有较高的定位精度。然而随着AOA测量误差精度的下降,定位精度逐渐下降,甚至低于Chan算法的定位精度。本文在传统的TDOA/AOA混合定位算法加入校正因子,通过逐步迭代的方法,逐渐消除NLOS对TDOA测量值的影响,从而获得比传统TDOA/AOA混合定位算法更高的定位精度。仿真表明：在各种环境下,特别是非视距环境下该方法能够显著提高定位的精度,并且运算量增加较少。     

基于比较信号接收强度的传感器定位算法研究

定位技术是传感器网络的重要技术,分析了几种Rangefree定位算法的特点,提出基于比较信号接收强度的传感器定位算法（LBRSSI）。其基本思想是通过比较接收到的信号强度大小来产生圆环,最后通过圆环的交集来确定节点的位置,并加入了角度阈值条件以适应无线信号的不规则性。研究了系统参数对于算法定位精度所造成的不同影响,结果发现无线信号损耗越不规则,算法定位精度越小,同时增加锚节点个数有利于提高算法的定位精度,而增加锚节点的传播距离也可以有限度地提高算法定位精度。     

RSSI在RFID读写器中的应用

基于接收信号强度指示(RSSI)测距的定位方法容易实现、开销少,适合在射频识别(RFID)系统中使用。由此提出一种RSSI在UHF频段下RFID读写器中的实现方式。使用合适的测量方法,通过对无线电传播路径损耗模型及大量实测数据的分析,证明得到的标签RSSI可以用于对无源标签的实时距离定位。     

基于RSSI的测距差分修正定位算法

为了抑制RSSI误差对无线传感器节点自身定位精度的影响,以三边定位算法为基础,定义了个体差异差分系数、距离差分系数和距离差分定位方程,把离目标节点最近的信标节点作为参考节点对基于RSSI的测距进行差分修正,并将差分法和质心法相结合提出了一种测距差分修正定位算法。该定位算法无需增加额外硬件开销,容易实现,定位误差可小于2.5m,适合于处理能力和能量有限的无线传感器网络节点。     

基于核的RSSI定位

定位在无线传感网络的应用中有非常重要的作用,但是目前定位技术的准确度不够理想,RSSI是一种能实际使用确定传感网络中节点间距离的技术。在无线传感网络中引进了核,核是一个拥有三个或更多有着固定位置关系传感节点的物体。核能定位其他核或节点,同时核也能被传感网络定位。通过模拟发现使用核能有效提高定位的准确度。     

基于TDOA残差分析的MLAT抗干扰方法

针对多点定位(MLAT)技术对信号从目标到接收站点时间差(TDOA)的依赖性及其TDOA精度对定位精度的影响,提出了一种基于TDOA残差分析的定位抗干扰方法。该方法通过TDOA在定位前后的残差来评判接收站点的时钟精度,从而实现站点优化选择和抗干扰,达到提高定位精度的目的。仿真实验和机场真实数据实验表明该方法可以显著提升MLAT的定位精度,不仅可行,而且有效。     

基于RSSI的无线传感网络梯度分簇算法

无线传感器网络(WSN)通常采用分簇结构以减少通信量,降低网络的能量消耗。针对无线传感网在数据收集模式下节点的负载不均衡问题,提出一种基于可接收信号强度指示（RSSI）的WSN梯度分簇(RGC)算法,以节点RSSI值为基础建立梯度,形成层次性结构。从具有不同梯度与相同梯度的相邻簇首节点两方面着手,设计了负载均衡的分簇算法,有效降低其复杂度和能耗,延长网络生命周期。实验证明了该算法的正确性和有效性。     

基于脉冲星的航天器定位算法

为了提高脉冲星空间定位精度和减少计算量,提出了一种新的脉冲星定位算法。该算法先用三颗脉冲星产生脉冲模糊点,再引入新的脉冲星消除脉冲模糊点直到脉冲整周数唯一。然后,采用TDOA定位技术消除航天器时钟的漂移。最后,利用最小二乘算法提高空间定位精度。实验结果表明,在半径为300 000 km的球形试探范围内,该算法处理时间小于4 ms,能较好地满足实时性的要求,并具有较高的定位精度。     

基于改进双向测距到达时间差定位算法的超宽带定位系统

针对传统无线定位技术在室内定位精度不高的问题,设计实现了一种基于超宽带（UWB）技术的室内定位系统。首先,提出了定位服务器与移动端APP实时交互的系统结构,解决室内移动人员自主定位与导航的问题。其次,在双向测距（TWR）算法中增加一条无线电信息以减小时钟偏移引起的测距误差,从而提高算法性能。最后,将通过到达时间差（TDOA）定位算法得到的双曲面方程组进行线性化处理后结合Jacobi迭代法完成求解,避免了使用标准TDOA定位算法难以直接解算的情况。经测试,该系统在楼道房间等场景中能稳定工作且定位误差控制在30 cm以内,相比基于WiFi、蓝牙等技术的定位系统在定位精度上提高了10倍左右,能够满足在复杂室内环境中的精确移动定位需求。