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无线个域网使用相移等测量
摘要
本文介绍了用一个AT86RF233芯片距离测量的结果。它使用飞行时间和相移测量执行测距修正。主要阐述了描述测距结果的统计参数和和一个处理原始测量数据的算法。结果显示在准确性上显著的改善等。
关键词
测距修正 无线个域网 相移测量
提交：2014年7月15日
接收：2015年1月2日
第一次网上出版：2015年1月26日
- 介绍
在导航和定位技术领域，基于射频(RF)波传播正在获得越来越多的关注。有各种定位技术和系统——从全球（全球范围内操作)到本地或个人导航(操作只在一个特定区域,确定地方或应用程序)。近年来,当地的射频定位使用获得了注意,特别是在全球导航卫星系统技术(GNSS)无法使用的应用程(如室内定位)序技术无法使用。射频通信技术是由内部IEEE 802.15.4标准提供服务。使用标准化的通信技术使定位更有效,特别是在定位系统设备中有多个位置。因为,从几何角度来看,在射频网络定位是基于三边测量定位精度取决于距离测量精度。有几种不同的方法来获取节点之间的距离在射频技术,包括利用无线电信号强度(RSS)技术涉及飞行时间（TOF）、到达时间（TOA）、到达角与他们的交流功能。尽管这些技术显示了一些有前景的结果,这种定位的精度可以提高允许其在更苛刻的应用程序使用。提高定位精度可以通过开发新的定位或获得测距算法,或者新的测量技术。
无线个域网是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，无线个域网就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。中国物联网校企联盟认为：无线个域网作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。
一个新的基于无线个域网通信网络协议和相移测量射频波的集成的新的测距方法被应用在AT86RF233芯片,它比以前的技术在测量距离上提供了可能性与更好的精度。AT86RF233配有阶段测量装置(PMU),这使得它可以通过使用相移测量执行范围以及执行TOF测量。
无线个域网设备的关键优势是它的低功耗。一个单一的设备可以在很长一段时间(甚至几年)只通过一个电池运行。它可用于小型移动设备或嵌入现代手机或 平板电脑。关于无线个域网功耗的详细描述可以在Casilari et al。(2010)找到。
本文介绍了基于无线个域网利用相位差等初步测试的结果。在本文中研究AT86RF233 芯片测距修正结果,而且提出了一种算法来处理测量结果。
- 设备描述。
在实验中使用了REB233SMAD-EK设备。它包括一对网络节点,称为“启动程序”和“反射”,如图3所示。每个单独的节点由一个配备RF233 和AT86RF233的无线电扩充器(REB)基板，一个配备ATxmega256a3微控制器(Atmel,2013)的控制器(CBB)组成。在用户界面上使用个人电脑(PC), 使用通用串行总线(USB)与发起者节点连接。设备的框图如图1所示。
AT86RF233收发器的一个重要特征,主要为专门按照协议进行通信如无线个域网、RF4CE和I6lowpan等, 它执行的能力主要由于嵌入式设备如一个阶段 测量装置(PMU)或飞行时间模块(TOM)。在排序模式下,AT86RF233芯片在2·4 GHz射频波段操作。AT86RF233的功耗大约是睡眠状态下的1mu;a到活跃传输状态下的14mu;a。因为这样测量的一个主要障碍是环境影响所引起的多路径效，为了减少这种影响效果，在天线的输入电路中有一个as222 - 92 RF-switch和两个极天线,如图1所示。REB233SMAD-EK设备被编程用来执行排序等过程,并根据基于的IEEE802·15·4的规则进行各节点之间的通信。
图1设备框图。
两个节点之间的排序过程,领先于同步阶段,基于射频信号的测量节点之间的相移。在一个排序周期中动作以一个被假定选择的频率重复次数。每一个结果是辅以额外参数v反映了测量的正确性(v = 1是一个有效的结果和v = 0是无效的结果)。一个周期的最终结果表示为一对[d;DQF]。其中d是计算出的平均距离DQF是距离品质因数(在一次计算中有效结果是百分数)。携带必要的信息如请求回答确认的交换的帧,是基于IEEE802 * 15 * 4扣除实际的排序阶段。这是REB233SMAD-EK具体,如图2所示。
图2排序过程
3. 实验。
在已知的参考基准使用两个节点放置测试进行了测量如图3所示。
图3.设备配置
在每次实验中节点的位置是不变的，而且参考节点之间的距离是l=4.86m,l=12.76m,l= 20.00m,l=43.80m,l=62.00m。参考距离用激光测距仪测量。天线在安装于一个节点和在多种模式下工作之间的距离是12厘米。在进一步考虑下它被认为是0。这种假设是合理的,因为在单一设备天线之间的距离大约是10厘米的情况下节点之间的距离从几米到40-50米的情况都有。因此,四个测量距离在预计的准确性上被视为相同的距离即10厘米。两个节点的垂直位置是离地面h = 1.5m的水平。在节点之间没有任何障碍阻碍视线(LOS)或关闭附近。.
实验分两个阶段进行。第一系列的测量包括节点1和2之间近300个距离的测量，执行距离测量时每次有100毫秒的时间间隔。四双天线(如图4所示的结果作为一个12.76m下的例子)存储在一个文件中,包括与有相应DQF因素的距离。
图4 原始测量结果
在第二阶段,结果将会被第四节所描述的算法处理然后分析。
4评估结果和距离数据的算法处理。
作为一个例子, 在图4中描述的是在12·76m(被称为原始测量摘要)下得到的距离测量结果。表1中对所有测量距离的结果进行了统计。相对误差delta;定义为:
100% （1）
其中是一次测量中所有样本的平均值,是参考距离。
表1原始距离测量统计
明确差异距离每一对距离差异主要是由多径效应引起的, 在这种类型的测距技术中这是典型的。在实验中,由于射频电波导致的多径效应在地板上被反映出来。由于这种现象出现了衰落导致在测量中出现了干涉现象。由于视线中的障碍出现的系列衰落导致了在射频信号接收结果中不可预知的建设性的或者破坏性的消退，这是难以预计的。这个扰动强烈依赖于传输和接收天线的位置。
表1中呈现的最小、最大和标准偏差反映了这一现象,而且表明这条天线不受多路径的影响。应用在设备上的天线分集允许其在数据扰动较少的天线中选择数据对天线,这是由于他们稍微不同的位置。
每一个距离的相对误差和标准偏差随天线对的变化而变化。例如在平均距离为12·76m,从所有的边界周期计算的距离而在1sigma;t,而在3和4中,与1和2有显著不同。这也在图5和6中的数据直方图中得到了证实。
图5显示了所有天线对残差的直方图。残差计算方程是：
（2）
其中是残差，D是参考距离，是一对天线的的测量结果。
在12.76m的情况下，虽然第3对和第4对有最多数量的正确的结果，正确的距离(1之内)存在对于每一对天线。这由图6中的DQF值确认。第3对和第4对中有一个比第1对和第2对高得多的DQFs值。
图5 12·76米的距离下残差计算的直方图
图6.直方图的DQF 12.76米
信号的另一个重要的价值是他们的分布。比如说,对每一对有自然分布的天线在12.76m的距离测量中对比他们的分布，会发现是一个正常的正态分布，如图7所示。图上的每个点在绘制时既对应于一个测量结果(纵坐标)的四分位数，同时也对应于一个正态分布(横坐标)相同的四分位数。一条直线描绘了正态分布。第3对和第4对测量结果的分布比第1对和第2对测量结果的分布更接近正态分布。
图4的分析表明,在某些时代,最接近参考距离的距离并不总是来自第3对和第4对。
图8.天线对测量结果之间相关性的绘制
图8描绘DQFs值得相关性和每一对天线之间的距离。这是一个相关矩阵的图形化显示。圈子的大小和颜色描绘了每一行和每一列交集处参数的相关性。圆圈上的数字是相关性值转换为百分比的值。事实上,这些变量之间不存在显著相关显示每一对结果都可以被单独处理。
初步测量结果要使用简单的统计参数进行处理，比如说距离和DQF的平均值,中间值，最小值，最大值。其中最小值要考虑方差、最大值在每个周期不等。表2中列出了结果。
测量距离的总数是6000(5基线对times;4对times;300测量值)。从所有观测值计算出来的平均剩余值是cm,标准差= 569cm。（）的边界将会用于论文的其余部分作为错误边界的最大值。
表2.统计数据的滤波结果
考虑到缺乏相关性，可以认为有四个独立的数据流(每个天线对一个)。在几何图形的基础上,最可靠的数据流是一个最小距离测量值(这是最可能反映了两个天线之间没有多路径效应的直接路径)。从单一对天线获得的数据的可信度的描述用DQF价值来描述。
为了提高最终的测距结果,在以上假设的基础上,以下算法需要被执行:
(A)创建一个连续n周期的中间数据流连续n周期。
(1)从四双天线中的每一个读取数据样本 (每一个周期范围)。
(2)从最小值里挑选一个作为最优解(没有多路径效应)。
(3)从(2)中选值添加到中间流
在第i周期第1,2,3和4对天线的距离测量值。从几何的观点来讲最可信的距离是:
=min （3）
(B)从(A)获取的中间流的平滑点使用移动平均线，他的结构类似于有限脉冲响应滤波器(FIR),如图9所示。在图9中,符号代表着先前的示例。
根据这个算法,获得的最后距离d为一系列中间流的k元素乘以相应的权重wDQF。表示为:
（4）
图9.自适应移动平均线/FIR
在式中的值为在一个周期内的和。在分子中最初的DQF值乘以100表示他的值为百分比。另外，受滤波的影响,在动态应用程序尤其有用,是通过测量任意选定的恒定重量b0,b1,hellip;,bk的最后n个样本的重量获得的。这些参数的选择取决于场景,在该场景中,将使用设备。这些参数提供一个平滑的运动,所以他们将取决于系统
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