目前在市面上有多種定位系統,包括 zigbee 、 wifi 等,以及最新的 css 定位系統。從定位原理上分析,一般的定位系統都可以歸納到基於時間的系統、基於訊號強度系統,而這兩類系統都有著各自的共性。下面以這兩種系統的典型代表 css 系統(基於時間)和 zigbee 系統(基於訊號強度)進行比較,從而得出其是否適用的結論。
以下對比均設定 css 系統和 zigbee 系統的射頻功率為 0dbm, 1mw 。
一、
測量原理
從原理上說,任何定位系統首先需要獲取鄰節點之間的距離。 css 採用 sds-tw 的測量方法,獲取雙向傳輸的時間,進而獲取節點距離; zigbee 採用測算節點之間連線訊號強度 (rssi) 的方法,利用無線訊號的空間傳輸衰減模型估算出節點間傳輸距離。
圖1 css 基於 sds-tw 演算法距離測量原理
圖2 zigbee 基於rssi 訊號傳輸衰減模型的測量原理
從上述圖 1 可以看出, css 進行了精確的雙向到達時間測量以及內部反應時間測量。由於採用了高質量的時鐘電路,精確度可以達到 1ns, 因而實際測量精確度可以達到 1m 以下。
圖 2 顯示了 zigbee 進行 rssi 測量估算的原理。這種測量是區域性的,和節點前端的低噪音處理電路有很大關係。空間自由傳輸模型的 rssi 衰減估算公式如下:
loss=32.44+10klgd+10klgf
其中, d
為節點距離(單位為 km
), f
為頻率,單位為 mhz
; k為路徑衰減因子。在實際應用環境中,由於多徑、繞射、障礙物等因素,無線電傳播路徑損耗與理論值相比有較大變化。而由於在不同的空間環境中,上述干擾因素是不確定的, k
因子具有較大的不確定性。有研究人員對環境干擾進行進一步的處理,期望獲取更接近於實際空間傳輸特性的模型,如用對數 -
常態分布模型。進一步用對數 -
常態分布模型繪製 rssi
曲線圖觀察,發現有如下的明顯結論:
1. 節點到訊號源的距離越近,由 rssi
值的偏差產生的絕對距離誤差越小;
2. 而當距離大於 80 m
時,由於環境隨機數 xσ
的影響,由 rssi
波動造成的絕對距離誤差將會很大;
圖 3 rssi
衰減模型(接收強度 -
接收距離)
因此有如下結論:
1. css 由於基於時間系統,在測量精度 1ns 的情況下,無線電檢測精度將達到 0.3 公尺 ,而實際使用中,由於前端多路徑到達波檢測、時間偏差等原因影響,誤差可以控制在 0.6
-1.5 公尺 ;在測量距離上, 0dbm 時可以達到 100m ,且只要訊號到達,就可以利用訊號測距;
2. rssi 由於採用訊號衰減進行測量,理論測量的精確距離範圍在 80 公尺 以內, 80 公尺 以外甚至將無法獲得粗略的距離資訊;在實際使用中,由於環境等因素的影響,達到 3 公尺 精度左右精確測量的最大範圍將在 15
-30 公尺 。
3. 從測量原理上分析,基於訊號強度的系統將不能支援長距離測量,最大的問題在於,當環境變化而 k 因子變化較大時,原先建立起來的估算模型將不能勝任,而必須重新進行系統的校正,也就是環境適應性差,這在實際的應用中是不可接受的。
二、
測量精度
在實際的野外應用中,精度的要求並沒有室內定位系統高。假設實際的需求是 5 公尺 ,那麼 css 系統肯定可以滿足需求,根據圖 3 的衰減模型(虛線), zigbee 系統在 30 公尺 以內能夠進行大約 5 公尺 級的距離分辨, 80 公尺 以內能夠進行 10 公尺 級的分辨,而 80 公尺 以外對訊號波動已經無法識別。實際應用中這些值將都有所降低。
0 dbm css 系統 通訊距離 100 公尺 有效測量範圍 100 公尺
0 dbm zigbee 系統 通訊距離 100 公尺 有效測量範圍 30 公尺
三、
測量範圍
css系統:測量範圍將達到節點雙向通訊所覆蓋的範圍,也就是說只要節點之間能夠通訊,系統就能夠進行實際的距離測量,因此採用功率放大器後, 800
-2000 公尺 的應用不會存在問題,其測量特性也不會因為增加功率放大器這一環節而有所變化;
zigbee系統:出於解析度的考慮, 0dbm 理想最大測量距離在 80 公尺 ,實際測量距離將在 30 公尺 以下。這將使得普通的感測器網路應用,所部署的點十分密集。如果大範圍應用,只能利用其他的概率估算方法進行粗略定位,而此時的誤差將可能達到網路覆蓋半徑的 30% 。
如果採用功率放大器,測量範圍將進一步擴充套件,但是仍然存在的問題如下:
1. 功率放大器的差異性將影響測量距離,需要使用者進行逐一校準;
2. 根據衰減曲線,在通訊距離末端的 30% 範圍內,將仍然因為 rssi 的波動而難以識別。
四、
功率控制
css 系統和 zigbee 系統都有著很好的功率控制特性:休眠、喚醒、常態收發。從能量消耗上來看, zigbee 為 [email protected] , css 為 [email protected], 功耗相當。
css 系統乙個更優越的地方在於,由於採用 chirp 訊號,使得射頻前端設計容易,能夠快速的增加功率模組,進一步增大測量範圍。 zigbee 難以做到這一點,且做起來有著相當大的校準難度。
五、
適配協議
目前支援 zigbee 的晶元以及 css 雖然物理層不同,但是網路協議層均可以一致。
zigbee協議棧:可以免費採用個別廠家庫檔案,並不開放源**;
css協議棧:具有自主的測量底層驅動以及支援 zigbee 協議的底層適配層;
使用者採用這兩種解決方案上,並不存在太大的區別與難度。
六、
抗干擾性
頻寬:css 系統由於採用了 80mhz 的頻寬(屬寬頻系統),獲得了相對較低的頻譜密度;而處理訊號時又能夠獲取較大的處理增益以及較好的到達脈衝解析度,能夠很好的抵禦環境干擾; zigbee 系統只有幾兆頻寬的窄帶系統,所以頻譜密度高,極易受到外界干擾。
天線:利用 zigbee 定位,需要天線進行良好的處理,避免由於天線以及部署位置的不同而導致原先的校準失效。舉個例子說,如果乙個 zigbee 節點的定位校準工作是在地面 1.5 公尺 高度進行的,那麼當放在地上,天線方向也變了的時候,前面的一切校準工作已經失效,甚至測不出資料。 css 系統在這種情況下只會縮短測量範圍,但仍然能夠保證測量精度。
環境:當雨天、霧天、叢林中使用該系統時,由於 zigbee 的訊號強度基本上被吸收,會嚴重偏離運算模型,而 css 因為訊號的吸收問題,只會縮短距離;
七、
保密與安全
如上述說述, css 系統由於採用了80m的頻寬,屬於寬頻系統,有著較低的頻率密度,再加上 css 本身的線性調頻特性,具有較好的低截獲特性;由於支援 128 位加密,整個系統將具有較好的安全性。
zigbee 系統採用 dsss 調製,雖然也同樣具有較好的保密性,但是頻譜密度仍然相對較高,易於受到外界施加的干擾。
八、
總結:
綜上所述,在定位系統中, zigbee 是完全不可行的方案,而只能採用 css ,主要原因如下:
1.定位機理: zigbee 定位從原理上來看,就是一種實驗室的方法,在本質上環境適應性差,容易受到外界施加的干擾,而無法在工程中應用。
2.測量精度:訊號模型的估算方法從本質上會由於空間物質變化而產生較大誤差,3 - 5公尺 已經是理想的精度;實際應用時,訊號覆蓋範圍內大部分空間無法定位是正常情況。
3.測量範圍: css 系統可以通過增加射頻功率,輕鬆地達到大範圍測量 (800
-2000 公尺 ) ; zigbee 在此情況下必須進行複雜的校準,最終至少有 30% 區域的測量很不準確,在末端的 30%-40% 的通訊範圍內無法測量;
4.功率控制:功率相當,而 css 更易於設計射頻前端,擴充套件功率以增大通訊、測量範圍;
5.適配協議: css 支援 zigbee 的適配層應用;
6.抗干擾性: css 寬頻系統比 zigbee 有著更好的抗干擾性,而 zigbee 在定位應用中對於天線以及環境有著極高的要求;
7.保密與安全: css 與 zigbee 相比,同樣 128 位加密,卻具有更低的截獲性;由於難以受到外界施加的干擾影響,將具有更好的安全性;
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