基于洪泛機(jī)制準(zhǔn)同步的UWB定位效率優(yōu)化研究

劉子恒，焦良葆，孫宏偉，袁 楓，路繩方

(南京工程學(xué)院 人工智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，南京 211167)

0 引言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的不斷提高，國(guó)家對(duì)高危工業(yè)環(huán)境的安全要求越來(lái)越高。在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行高精度的定位，可以滿足各種作業(yè)場(chǎng)地的應(yīng)用需求，有效保證作業(yè)人員的人身安全[1]。目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的無(wú)線定位技術(shù)主要有：射頻識(shí)別技術(shù)(RFID, radio frequency identification)、超寬帶(UWB, ultra-wide band)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN,wireless local area network)、激光雷達(dá)(LiDAR, light detection and ranging)、超聲波、藍(lán)牙、紅外線、全球定位系統(tǒng)(GPS, global positioning system)等[2]。與其他定位技術(shù)相比，UWB定位技術(shù)具有傳輸速率高、穿透性強(qiáng)、定位精度高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、發(fā)射功率低、時(shí)間分辨率好的優(yōu)點(diǎn)[3]，因此廣泛應(yīng)用在高精度室內(nèi)定位中。

UWB室內(nèi)定位技術(shù)中常用的測(cè)距方法有：接收信號(hào)強(qiáng)度[4](RSS, receive signal strength)、接收信號(hào)角度[5](AOA，angle of arrival)、接收信號(hào)時(shí)間差[6](TDOA，time difference of arrival)、接收信號(hào)時(shí)間[7](TOA, time of arrival)，其中TOA和TDOA測(cè)距算法是室內(nèi)定位技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的兩種算法[8]，TDOA算法充分利用了UWB信號(hào)對(duì)時(shí)間的高精度分辨能力，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的絕對(duì)時(shí)間差，而不是到達(dá)的飛行時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)的位置，整個(gè)過(guò)程只需與基站交互一次，具有測(cè)距通信量少、延遲率低、抗多徑干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。TDOA算法降低了標(biāo)簽與各基站之間的時(shí)間同步難度，但它提高了基站間的時(shí)間同步要求，基站間必須保證嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，這在一定程度上加大了技術(shù)方案的實(shí)施難度[9]。TOA測(cè)距算法主要通過(guò)基站標(biāo)簽間多次通信實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)現(xiàn)難度低、硬件要求低的優(yōu)點(diǎn)。與TDOA算法要求基站間嚴(yán)格時(shí)鐘同步不同，TOA算法僅要求基站和標(biāo)簽之間時(shí)鐘準(zhǔn)同步[10]，并且增加標(biāo)簽與基站間的通信次數(shù)可以在一定程度上減少晶振偏移帶來(lái)的計(jì)時(shí)誤差[11],提高測(cè)距系統(tǒng)的精度，因其實(shí)現(xiàn)難度比TDOA低，故本文選用TOA算法為測(cè)距算法。

文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)以UWB技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)TOA算法來(lái)確定目標(biāo)的位置。雖然該定位系統(tǒng)測(cè)距均值與真實(shí)值誤差不超過(guò)15 cm，均值與真實(shí)值間誤差不超過(guò)30 cm，實(shí)現(xiàn)了較高的測(cè)距精度和定位精度，但當(dāng)系統(tǒng)接入標(biāo)簽量較多時(shí)存在嚴(yán)重的通信沖突，測(cè)距信息大量丟失，實(shí)際使用效果并不好[13]。本文針對(duì)TOA算法通信質(zhì)量無(wú)法保證、多標(biāo)簽情況下通信沖突的問(wèn)題，本文提出了一種基于洪泛機(jī)制準(zhǔn)同步的高效UWB定位方法，先通過(guò)洪泛機(jī)制實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘準(zhǔn)同步，再對(duì)每個(gè)設(shè)備序列號(hào)進(jìn)行時(shí)隙分配，在保證精度的同時(shí)有效減少了標(biāo)簽之間的沖突，從而提高了系統(tǒng)標(biāo)簽容納量，并通過(guò)減少標(biāo)簽與基站間的無(wú)效通信降低了系統(tǒng)功耗，能夠滿足較高的工業(yè)級(jí)要求。

1 原理及其誤差分析

UWB定位系統(tǒng)一般可分為測(cè)距和定位兩部分，接下來(lái)針對(duì)這兩部分進(jìn)行原理介紹及誤差分析。

1.1 測(cè)距原理

TOA測(cè)距算法又稱作TOF(timeofflight)算法，主要是根據(jù)測(cè)量接收信號(hào)在基站和標(biāo)簽之間的到達(dá)時(shí)間并將其轉(zhuǎn)換為距離，從而進(jìn)行定位。TOA測(cè)距方法的時(shí)間取決于時(shí)鐘精度，為減少時(shí)鐘偏移造成的測(cè)距誤差，通常采用正反兩個(gè)方向的測(cè)量方法[14]，通過(guò)測(cè)量飛行時(shí)間平均值來(lái)減少兩者之間的時(shí)間偏移，從而提高測(cè)距精度。目前TOA定位方案有兩種發(fā)展趨勢(shì)：基于通信節(jié)點(diǎn)間嚴(yán)格時(shí)間同步的單向測(cè)距[15](OWR，one way ranging)方案和基于雙向信號(hào)傳輸雙向測(cè)距[16](TWR，two way ranging)方案。OWR算法原理簡(jiǎn)單，但需要嚴(yán)格同步系統(tǒng)中所有器件的時(shí)鐘，考慮到UWB對(duì)定位精度的要求非常高，對(duì)處于移動(dòng)中的標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)同步難度大。TWR方案通過(guò)標(biāo)簽和基站間交換時(shí)間戳信息來(lái)降低設(shè)備間時(shí)鐘同步的難度[17]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的降低，但其定位精度受設(shè)備自身晶振偏移影響[18]。本文采用的是雙邊雙向測(cè)距(DS-TWR, double sided -two way ranging)算法，該方法有效降低了晶振偏移帶來(lái)的測(cè)距誤差[19]。

在測(cè)距階段，標(biāo)簽與基站會(huì)進(jìn)行三次信息交互并記錄相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的時(shí)間戳，進(jìn)而計(jì)算出飛行距離[20]，其測(cè)距原理如圖1所示。

第一步：任意時(shí)間點(diǎn)節(jié)點(diǎn)A接收到測(cè)距請(qǐng)求后，發(fā)送rng消息并記錄發(fā)送時(shí)間戳TSP，等待節(jié)點(diǎn)B回復(fù)。

第二步：節(jié)點(diǎn)B接收到消息后立即記錄當(dāng)前時(shí)間戳TRP，在短暫時(shí)延后回復(fù)節(jié)點(diǎn)A一個(gè)res消息，記錄下發(fā)送回復(fù)消息的時(shí)間戳TSR。

第三步：節(jié)點(diǎn)A一旦收到res消息，則立刻記錄接收時(shí)間戳TRR，一定時(shí)延后回復(fù)節(jié)點(diǎn)A一個(gè)fin消息，并記錄回復(fù)時(shí)間戳TSF。

第四步：節(jié)點(diǎn)B收到A回復(fù)的fin信息后，記錄該時(shí)刻時(shí)間戳TRF，根據(jù)整個(gè)測(cè)距過(guò)程中產(chǎn)生的6個(gè)時(shí)間戳求解出消息在空氣中的飛行時(shí)間T，飛行時(shí)間T乘以電磁波傳輸速率即可得到基站與標(biāo)簽間的距離。

圖1 DS-TWR測(cè)距原理

由圖1可得式(1)：

(1)

計(jì)算整個(gè)過(guò)程中無(wú)線信號(hào)的飛行時(shí)間：

(2)

由于式(2)是無(wú)線信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)之間傳播四次的結(jié)果，聯(lián)立式(1)和式(2)可得理想信號(hào)飛行時(shí)間T：

(3)

1.2 定位原理

以基站作為參考節(jié)點(diǎn)，標(biāo)簽為非參考節(jié)點(diǎn)，非參考節(jié)點(diǎn)所在范圍內(nèi)參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知，根據(jù)立體幾何原理，以各參考點(diǎn)為球心，非參考點(diǎn)與各參考點(diǎn)間距離為半徑畫(huà)球，標(biāo)簽所在位置即為各球的交點(diǎn)。在定位空間內(nèi)建立坐標(biāo)系，則基站坐標(biāo)(xi，yi，zi)與標(biāo)簽坐標(biāo)(x，y，z)應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(4)

如圖2所示，空間內(nèi)存在4個(gè)基站時(shí)，利用融合Taylor級(jí)數(shù)和無(wú)跡卡爾曼濾波的定位算法對(duì)標(biāo)簽位置的求解超限定方程組式(6)[20]，求解出的x、y、z即為標(biāo)簽在定位空間內(nèi)的三維坐標(biāo)。

圖2 TOA定位過(guò)程

1.3 誤差分析

UWB定位系統(tǒng)中最常見(jiàn)的兩類誤差為多址干擾造成的誤差和時(shí)鐘精度帶來(lái)的誤差[21]。

多址干擾是指在多標(biāo)簽環(huán)境下，其他標(biāo)簽的信號(hào)對(duì)目標(biāo)信號(hào)造成干擾從而降低了估計(jì)的準(zhǔn)確性。針對(duì)該問(wèn)題本文通過(guò)把來(lái)自不同標(biāo)簽的信號(hào)從時(shí)間上分開(kāi)，降低了多址干擾情況的發(fā)生。

由于TOA定位算法需要目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的精確的時(shí)間同步，非精確的時(shí)間同步將導(dǎo)致UWB系統(tǒng)的定位誤差。假設(shè)ka和kb為兩節(jié)點(diǎn)實(shí)際時(shí)鐘頻率和期望時(shí)鐘頻率之比，則真實(shí)信號(hào)飛行時(shí)間為：

(5)

假設(shè)無(wú)線信號(hào)的飛行速度為c，則測(cè)距誤差可寫為：

(6)

響應(yīng)時(shí)間分別為50 μs、100 μs、200 μs時(shí)不同時(shí)鐘差與測(cè)距誤差之間的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，響應(yīng)時(shí)間及時(shí)鐘差均與測(cè)距誤差成正比[22]，響應(yīng)時(shí)間越短，時(shí)鐘差越小，則測(cè)距誤差越小。由于響應(yīng)時(shí)間的大小無(wú)法人為控制，本文選擇通過(guò)降低時(shí)鐘差來(lái)提高精度。

圖3 不同ka-kb下的測(cè)距誤差

2 改進(jìn)方案

改進(jìn)方案分為兩部分，先通過(guò)洪泛機(jī)制實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘準(zhǔn)同步，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行時(shí)隙分配。接下來(lái)對(duì)這兩部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 時(shí)鐘準(zhǔn)同步

洪泛算法是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域常用的算法，它可以通過(guò)單個(gè)同步分組實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的同步，具有魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文采用了洪泛算法，需要設(shè)定一個(gè)主基站，其余基站均為被分配適應(yīng)級(jí)別的從基站?；诤榉簷C(jī)制準(zhǔn)同步的UWB定位整體流程如下：

Step1：主機(jī)站作為時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)向空間內(nèi)廣播發(fā)送包含當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)的SYN消息；

Step2：從基站和標(biāo)簽接收到SYN消息后估算時(shí)延等參數(shù)并調(diào)整自身邏輯時(shí)鐘值以和基準(zhǔn)點(diǎn)達(dá)成同步；

Step3：達(dá)成同步后的從基站或標(biāo)簽以自身為新的基準(zhǔn)點(diǎn)一環(huán)一環(huán)向外同步，實(shí)現(xiàn)所有從基站、標(biāo)簽與主基站時(shí)鐘準(zhǔn)同步；

Step4：標(biāo)簽與距離最近的基站通信，在接收到基站發(fā)出的注冊(cè)表后，記錄發(fā)送時(shí)間戳Trng_tx，給基站回復(fù)RNG消息；

Step5：基站接收到RNG消息后記錄接收時(shí)間戳Trng_rx，記錄發(fā)送時(shí)間戳Tres_tx并給標(biāo)簽回復(fù)RES消息；

Step6：標(biāo)簽接收到RES消息后記錄接收時(shí)間戳Tres_rx，記錄發(fā)送時(shí)間戳Tfin_tx后將消息裝填入FIN消息中并發(fā)送；

Step7：基站接收到FIN消息后記錄Tfin_rx，根據(jù)解析FIN消息獲得的6個(gè)時(shí)間戳運(yùn)用DS-TWR算法求解測(cè)距距離；

Step8：由于標(biāo)簽所在范圍內(nèi)基站坐標(biāo)已知，根據(jù)測(cè)得的標(biāo)簽到各基站的距離可求解定位空間內(nèi)各標(biāo)簽的位置；

假設(shè)經(jīng)過(guò)3次洪泛傳播后標(biāo)簽與基站開(kāi)始測(cè)距，主基站為0級(jí)，從基站可分為1級(jí)和2級(jí)，改進(jìn)后的DS-TWR算法測(cè)距流程如圖4所示。

圖4 改進(jìn)DS-TWR算法示意圖

洪泛機(jī)制中存在的最大問(wèn)題是基站一級(jí)一級(jí)向下傳遞會(huì)產(chǎn)生誤差的積累，而累計(jì)誤差會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)距效果。若此處標(biāo)簽是與主基站通信，則時(shí)延和硬件帶來(lái)的誤差會(huì)累計(jì)3次，這將極大影響測(cè)距效果。但是在本方案中，標(biāo)簽只需要與相鄰的基站進(jìn)行測(cè)距交互，不受累計(jì)誤差的影響。

改進(jìn)后的DS-TWR算法利用洪泛機(jī)制實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽和基站之間的時(shí)鐘準(zhǔn)同步，在一定程度上提高了TOA算法的測(cè)距精度，同時(shí)為接下來(lái)的時(shí)隙分配法奠定了基礎(chǔ)。

2.2 時(shí)隙分配法

散列算法又稱哈希算法或雜湊算法，是一種從任意文件中創(chuàng)造小的數(shù)字的方法。本文采用散列算法實(shí)現(xiàn)了科學(xué)的時(shí)隙分配，解決UWB通信中多標(biāo)簽情況下的通信沖突問(wèn)題。

由于通信分配沒(méi)有協(xié)調(diào)好，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)通信沖突：多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向一個(gè)基站通信，先與基站交互的標(biāo)簽先通信，后到的標(biāo)簽必須要等一定的響應(yīng)時(shí)間后才能與其他基站通信，這樣導(dǎo)致基站與標(biāo)簽之間通信速度慢，系統(tǒng)反應(yīng)慢。假設(shè)在有定位需求的場(chǎng)所中有基站m個(gè)(m>3)，標(biāo)簽n個(gè)。在主基站發(fā)送SYN報(bào)文通過(guò)洪泛機(jī)制實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽和基站、基站和基站之間的時(shí)鐘準(zhǔn)同步后，基站側(cè)以發(fā)送SYN報(bào)文的時(shí)刻作為循環(huán)周期起始時(shí)刻，標(biāo)簽側(cè)以收到SYN報(bào)文的時(shí)刻作為的循環(huán)周期起始時(shí)刻，忽略掉信號(hào)在空中的傳播時(shí)間；從起始時(shí)刻開(kāi)始，設(shè)置一個(gè)時(shí)隙段，通過(guò)Hash運(yùn)算后得到的散列序號(hào)給每個(gè)標(biāo)簽和基站分配不同的時(shí)隙，圖5為時(shí)隙分配流程圖。

圖5 時(shí)隙分配流程圖

本文采用的Hash算法為除留余數(shù)法，其計(jì)算方法如下：該標(biāo)簽所得基站列表即為m個(gè)基站的列表A[1…m]，該列表為基站的序號(hào)列表，且所有標(biāo)簽列表一致；若M>5,首先對(duì)列表A[1…m]進(jìn)行散列，得到5個(gè)下標(biāo)I[1…5]，第一次定位需要至少4個(gè)基站，并設(shè)置一個(gè)冗余基站：

I[i]=((TID+7)*i)%5,i=1，...，5

(7)

THash1(TID)={(TID+Q)*A[I[i]]}%P，

i=1，...，5

(8)

式(15)中，TID為標(biāo)簽的序列號(hào)，P表示幀的長(zhǎng)度，此處P取大小接近幀長(zhǎng)度的質(zhì)數(shù)目的是為了均勻分配時(shí)隙，保證運(yùn)算效果。A[I[i]]為散列后的基站序列號(hào)；Q為任意取值的質(zhì)數(shù)，目的是為了讓得到的時(shí)隙號(hào)能夠散列開(kāi)。

在經(jīng)過(guò)一次hash計(jì)算后，標(biāo)簽之間依舊可能存在沖突。當(dāng)再次遇到?jīng)_突時(shí)引入上次散列后的結(jié)果再次進(jìn)行散列，直至沖突消失，計(jì)算公式如下：

THashj(TID)={(TID+Q+THashj-1)*A[I[i]]}%

[P+THashj-1]

i=1，...，5,j為大于1的正整數(shù)

(9)

在實(shí)際工程領(lǐng)域中具體時(shí)隙段格式如下：

R0|T0[1] |T0[2] |...|T0[31] |R2|T1[1] |T1[2] |...|T1[31] | 。

其中:N為洪泛次數(shù)，R0和R1為冗余時(shí)隙，基站和標(biāo)簽在冗余時(shí)隙中進(jìn)行時(shí)鐘準(zhǔn)同步；測(cè)距時(shí)隙為T0和T1，在測(cè)距時(shí)隙中標(biāo)簽和基站通信記錄收發(fā)時(shí)間戳。

時(shí)隙分配如圖6所示，通過(guò)多次Hash運(yùn)算分配時(shí)隙能夠顯著降低標(biāo)簽之間以及標(biāo)簽和基站之間的通信沖突，有效增加系統(tǒng)中標(biāo)簽的容量。

圖6 時(shí)隙分配示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)采用Ubuntu系統(tǒng)編寫，在將上報(bào)的測(cè)距信息記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)后，根據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)解析出目標(biāo)位置；下位機(jī)采用Keil uVision5軟件編寫，負(fù)責(zé)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的測(cè)距。下位機(jī)主要通過(guò)3個(gè)定時(shí)器控制測(cè)距流程：定時(shí)器1控制整個(gè)測(cè)距周期，定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送測(cè)距結(jié)果；定時(shí)器2控制基站定時(shí)廣播blk消息發(fā)起測(cè)距，由標(biāo)簽先發(fā)出測(cè)距信息，通過(guò)裝填測(cè)距信息中的注冊(cè)表記錄每次收發(fā)的時(shí)間戳，完成測(cè)距信息交互后基站根據(jù)注冊(cè)表中信息可計(jì)算出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的距離；為防止出現(xiàn)標(biāo)簽老化，設(shè)定定時(shí)器3定時(shí)等待應(yīng)答，若無(wú)應(yīng)答則重新發(fā)起測(cè)距。下位機(jī)基站和標(biāo)簽測(cè)距流程如圖7、圖8所示。

圖7 標(biāo)簽測(cè)距流程

圖8 基站測(cè)距流程

為了方便在上位機(jī)實(shí)時(shí)定位目標(biāo)的位置，通過(guò)QT軟件設(shè)計(jì)室內(nèi)定位人員軌跡展示界面。一只手舉著標(biāo)簽在定位區(qū)域內(nèi)以約1.5 m/s的速度快速移動(dòng)獲得的定位軌跡如圖9所示，標(biāo)簽軌跡基本符合人員實(shí)際活動(dòng)軌跡。

圖9 室內(nèi)定位人員軌跡展示圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

以STM32高性能微處理器和DWM1000射頻收發(fā)芯片為基礎(chǔ)，結(jié)合各種外圍電路設(shè)計(jì)了室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)，主要包括測(cè)距模塊、stm32主控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和指示模塊。相對(duì)于標(biāo)簽而言，基站處理的任務(wù)更多，因此基站采用性能較高的STM32F407ZET6處理器，標(biāo)簽采用性能較低的STM32F105RCT6處理器。

4.2 功耗實(shí)驗(yàn)

在多標(biāo)簽與單基站通信的情況下，某一時(shí)刻多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向基站發(fā)出通信請(qǐng)求，此時(shí)只有第一個(gè)與基站通信的標(biāo)簽發(fā)出的請(qǐng)求有效，其余標(biāo)簽發(fā)出的請(qǐng)求均為無(wú)效。假設(shè)1個(gè)基站與50個(gè)標(biāo)簽通信，若要所有標(biāo)簽都與基站完成通信則共計(jì)需發(fā)出1 275次通信請(qǐng)求，這就大大提高了系統(tǒng)的功耗。而本文提出的時(shí)隙分配法可以使標(biāo)簽按順序與基站通信，大量減少了無(wú)效通信的次數(shù)。在1個(gè)基站與50個(gè)標(biāo)簽通信的情況下標(biāo)簽僅需發(fā)出50次通信請(qǐng)求，這就極大地降低了功耗。

功耗實(shí)驗(yàn)測(cè)試改進(jìn)前后多標(biāo)簽情況下系統(tǒng)中某一標(biāo)簽從滿電到電量耗盡過(guò)程中的樣本數(shù)量和通信時(shí)長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)采用1 700毫安的鋰電池給標(biāo)簽供電，在給所有電池充滿電后，測(cè)試改進(jìn)前后4個(gè)基站與20個(gè)標(biāo)簽在通信距離相同的情況下系統(tǒng)中某一標(biāo)簽的功耗情況。圖10和11為改進(jìn)前后系統(tǒng)在單基站多標(biāo)簽情況下通信獲得的測(cè)距數(shù)據(jù)分析圖，其中橫坐標(biāo)為樣本數(shù)量，縱坐標(biāo)為標(biāo)簽與基站間距離。

圖10 改進(jìn)前的測(cè)距信息

圖11 改進(jìn)后的測(cè)距信息

改進(jìn)前后方案對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示，改進(jìn)后系統(tǒng)中標(biāo)簽?zāi)芎南鄬?duì)改進(jìn)前降低了30%，單位時(shí)間內(nèi)獲取數(shù)據(jù)量提高了27.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)后的方案功耗更低，獲得數(shù)據(jù)更多，且測(cè)距效果不會(huì)受標(biāo)簽剩余電量影響產(chǎn)生大幅波動(dòng)，系統(tǒng)魯棒性得到了提升。

改進(jìn)前后通信時(shí)長(zhǎng)和單位時(shí)間內(nèi)通信次數(shù)提升效率表達(dá)式如下所示：

Ph=(h2-h1)/h2*100%

(10)

PN=(N2-N1)/N2*100%

(11)

式中,h1和h2分別為改進(jìn)前后的通信時(shí)長(zhǎng)；N1和N2分別為改進(jìn)前后的單位時(shí)間內(nèi)的通信次數(shù)。

表1 方案對(duì)比數(shù)據(jù)表

4.3 通信成功率實(shí)驗(yàn)

標(biāo)簽通信流程如下：在時(shí)鐘準(zhǔn)同步后，各標(biāo)簽與4個(gè)末級(jí)基站依次通信，若基站a與標(biāo)簽a處于通信狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽b向基站a發(fā)出通信請(qǐng)求，則記為一次沖突；標(biāo)簽b在等待1秒后向基站b發(fā)出通信請(qǐng)求，若基站b也處于通信狀態(tài)，則記為二次沖突；繼續(xù)等待1秒后再與下一個(gè)基站通信……依此類推，直至成功與某一基站進(jìn)入通信狀態(tài)。

針對(duì)通信成功率進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定從200個(gè)標(biāo)簽和50個(gè)基站中隨機(jī)選擇5個(gè)基站，20個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行十萬(wàn)次通信。如圖12所示為對(duì)改進(jìn)前數(shù)據(jù)做的直方概率圖，圖中橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)每一次通信的通信成功率，左側(cè)坐標(biāo)為通信次數(shù)，右側(cè)縱坐標(biāo)為累計(jì)百分比。改進(jìn)前在發(fā)生沖突情況下通信成功率最高80%，最低40%，平均通信成功率僅有62%，通信成功率較低，數(shù)據(jù)丟包嚴(yán)重。

圖12 改進(jìn)前

保持條件不變，對(duì)改進(jìn)后的代碼進(jìn)行仿真，對(duì)仿真后得到的數(shù)據(jù)集作直方概率圖如圖13所示。改進(jìn)后通信成功率最高為100%，最低為60%，平均通信成功率達(dá)到了78%，相較于改進(jìn)前提高了16%，系統(tǒng)在多標(biāo)簽情況下的通信成功率得到了顯著提高。

圖13 改進(jìn)后

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)UWB定位中的標(biāo)簽容量限制和通信沖突的問(wèn)題，提出了一種基于洪泛機(jī)制準(zhǔn)同步的改進(jìn)定位方法。利用洪泛機(jī)制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備間的時(shí)鐘準(zhǔn)同步，一方面滿足了TOA算法對(duì)基站和標(biāo)簽時(shí)鐘準(zhǔn)同步的需求，在一定程度上提高了測(cè)距精度；另一方面為時(shí)隙分配法奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)多標(biāo)簽情況下易產(chǎn)生沖突的問(wèn)題，提出一種基于Hash運(yùn)算的時(shí)隙分配法，在時(shí)鐘準(zhǔn)同步后通過(guò)Hash運(yùn)算給每個(gè)標(biāo)簽分配唯一的時(shí)隙編號(hào)，有效降低了多標(biāo)簽下的沖突率，使得通信成功率大大提高。