協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距性能探究

仇 凱，王 前

協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距性能探究

仇 凱，王 前

（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210000）

針對(duì)協(xié)同定位方法帶來的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間爭(zhēng)用信道的問題，提出一種適用于多節(jié)點(diǎn)協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的測(cè)距方法：立足載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議在通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的不同，通過減少單次測(cè)距時(shí)間、避免重復(fù)測(cè)距、減少節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道的次數(shù)，優(yōu)化測(cè)距過程；并提出一種時(shí)延修正算法對(duì)傳播時(shí)延進(jìn)行估計(jì)和修正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在有效提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距頻度的同時(shí)，有效降低傳播時(shí)延對(duì)于測(cè)距精度的影響，提高測(cè)距精度。

載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議；協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)；測(cè)距精度；測(cè)距頻度；馬爾可夫模型

0 引言

協(xié)同定位通過引入未知節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量使得位置參數(shù)的提供者從錨節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到整個(gè)協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)[1-2]，在帶來高精度定位的同時(shí)也會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)層次的問題[3]，對(duì)此需要設(shè)計(jì)合理的多路訪問控制協(xié)議[4-5]。尤其是在森林覆蓋、隧道等環(huán)境下，衛(wèi)星信號(hào)易受到干擾或者阻斷，使得定位精度下降甚至定位失??；加上環(huán)境的遮蔽、節(jié)點(diǎn)自身的電能儲(chǔ)備等因素，很有可能出現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)無法正常工作以及需要新增節(jié)點(diǎn)的情況。這就迫切需要一種靈活多變的協(xié)同定位方法。本文就此應(yīng)用需求從測(cè)距性能方面對(duì)協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。

目前定位網(wǎng)絡(luò)中基于時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA）協(xié)議的研究較為成熟，該協(xié)議可以確保定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距穩(wěn)定進(jìn)行，但靈活性較差——當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)加入或者舊節(jié)點(diǎn)退出的情況無法及時(shí)調(diào)整。而載波偵聽多路訪問/沖突避免（carrier sense multiple access with collision avoid，CSMA/CA）協(xié)議在具有高靈活性的同時(shí)還有較高的效率[6-7]，非常適合用作協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的控制協(xié)議。但目前基于CSMA/CA協(xié)議的研究大部分集中于通信網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)基于協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CA協(xié)議的研究較少。這2種網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CA協(xié)議的區(qū)別如下：

1）二者最終目的以及節(jié)點(diǎn)間關(guān)系不同。前者的目的是為了實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)向接收站傳播數(shù)據(jù)，多節(jié)點(diǎn)之間只有競(jìng)爭(zhēng)；而后者目的是為了實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)之間都完成測(cè)距，節(jié)點(diǎn)間既有競(jìng)爭(zhēng)又有合作。

2）二者節(jié)點(diǎn)的要求不一樣。前者的過程就是多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)，向一個(gè)接收站發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)是發(fā)送方；后者節(jié)點(diǎn)間需要相互發(fā)送信息進(jìn)行測(cè)距，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是發(fā)送方又是接收方，整個(gè)協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的過程就是多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）二者的著重點(diǎn)有區(qū)別。數(shù)據(jù)幀是前者的重中之重，需要盡可能保證數(shù)據(jù)幀的完好；而在后者重要的是測(cè)距頻度和測(cè)距精度。

4）二者的運(yùn)行流程不同。前者的流程為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)向接收站發(fā)送信號(hào)，節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送后仍會(huì)繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)接入信道；而后者某一節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)完成測(cè)距后，會(huì)退出與該目標(biāo)測(cè)距的競(jìng)爭(zhēng)行列。

雙邊雙向測(cè)距（double-sided two-way ranging，DS-TWR）因無視時(shí)間同步問題并在有時(shí)鐘偏差的情況下?lián)碛休^高的測(cè)距精度[8]的緣故常用作定位網(wǎng)絡(luò)的測(cè)距方法，但目前基于DS-TWR的研究忽略了信號(hào)在信道中傳播的時(shí)間對(duì)于測(cè)距精度的影響。

本文立足CSMA/CA協(xié)議在通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，建立馬爾可夫模型對(duì)協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間單次測(cè)距的理論值進(jìn)行分析；接著給出基于CSMA/CA的協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距的流程，并通過引進(jìn)“RTS-CTS”（請(qǐng)求發(fā)送（request to send，RTS）和允許發(fā)送（clear to send，CTS））、改進(jìn)退避算法、引進(jìn)“REPORT（通過節(jié)點(diǎn)回應(yīng)避免重復(fù)測(cè)距）”機(jī)制和“中心站”的方法對(duì)測(cè)距頻度進(jìn)行改進(jìn)；然后分析信號(hào)在信道中的傳播時(shí)間對(duì)于測(cè)距精度的影響，并提出一種時(shí)延修正算法以減少測(cè)距誤差。

1 基于單次測(cè)距時(shí)間理論值分析

在CSMA/C協(xié)議中有一些參數(shù)可供用戶選擇，可在不同情況下對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)來提高性能，這些參數(shù)對(duì)于CSMA/CA協(xié)議有不同的影響。為了便于從理論上了解這些參數(shù)與CSMA/CA協(xié)議的聯(lián)系，本文引用應(yīng)用廣泛的二維馬爾可夫（Markov）模型[9]，對(duì)基于CSMA/CA的協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的單次測(cè)距時(shí)間進(jìn)行分析。

本文馬爾可夫模型的建立必須滿足以下幾個(gè)假設(shè)條件：

1）信道傳輸?shù)恼`碼率為0；

2）網(wǎng)絡(luò)中不存在隱終端（2個(gè)互不在對(duì)方通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)向同一個(gè)目標(biāo)發(fā)送信號(hào)時(shí)誤以為信道空閑而產(chǎn)生碰撞的情況）以及暴露終端（2個(gè)互在對(duì)方通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)向不同目標(biāo)發(fā)送信號(hào)時(shí)誤以為信道繁忙而暫停發(fā)送從而降低信道利用率的情況）的問題；

3）每個(gè)節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻都有信息等待發(fā)送；

4）節(jié)點(diǎn)數(shù)不會(huì)發(fā)生變化；

5）每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生碰撞的概率均為（定值）；

6）每個(gè)節(jié)點(diǎn)的重傳次數(shù)無上限。

二維馬爾可夫模型如圖1所示。

圖1 退避機(jī)制的馬爾可夫模型

在該模型中單步轉(zhuǎn)移概率為

其中

根據(jù)馬爾可夫模型可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的退避次數(shù)為，退避時(shí)間為時(shí)，有

綜合上式，有

令初始競(jìng)爭(zhēng)窗口為32，最大退避次數(shù)為10，求出碰撞概率與節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 碰撞概率與節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系

2個(gè)節(jié)點(diǎn)完成一次測(cè)距所需的時(shí)間為

2 基于CSMA/CA的協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距過程

將網(wǎng)絡(luò)中個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（例如從節(jié)點(diǎn)1開始）作為測(cè)距對(duì)象，即除了節(jié)點(diǎn)1以外的其余－1個(gè)節(jié)點(diǎn)開始競(jìng)爭(zhēng)對(duì)節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)，競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行雙邊雙向測(cè)距，待測(cè)距完成之后節(jié)點(diǎn)1會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀（acknowledge character，ACK），廣播整個(gè)網(wǎng)絡(luò)告知測(cè)距已經(jīng)完成，那么其余節(jié)點(diǎn)的冷凍期就會(huì)結(jié)束，與此同時(shí)節(jié)點(diǎn)也會(huì)暫時(shí)退出競(jìng)爭(zhēng)至新的節(jié)點(diǎn)作為測(cè)距對(duì)象。流程如圖3所示。

圖3 基于CSMA/CA的協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距流程

式中：為第n個(gè)大組中第i個(gè)小組的單次測(cè)距時(shí)間的理論值。基礎(chǔ)方法完成一次測(cè)距的過程為：節(jié)點(diǎn)i等待一個(gè)分布式幀間間隙（distributed inter-frame space，DIFS）后競(jìng)爭(zhēng)向測(cè)距目標(biāo)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，若競(jìng)爭(zhēng)成功，測(cè)距目標(biāo)會(huì)回應(yīng)節(jié)點(diǎn)i一個(gè)ACK，告知全網(wǎng)接下來由該節(jié)點(diǎn)與自己進(jìn)行測(cè)距；收到ACK的節(jié)點(diǎn)i向測(cè)距目標(biāo)發(fā)送第一個(gè)測(cè)量幀，測(cè)距目標(biāo)接收到第一個(gè)測(cè)量幀后等待一個(gè)時(shí)間后回應(yīng)第二個(gè)測(cè)量幀；節(jié)點(diǎn)i接收到第二個(gè)測(cè)量幀后等待一個(gè)時(shí)間后，再次向測(cè)距目標(biāo)發(fā)送第三個(gè)測(cè)量幀；測(cè)距目標(biāo)接收到第三個(gè)測(cè)量幀后等待一個(gè)短幀間間隔（short inter-frame space，SIFS）時(shí)間后回應(yīng)一個(gè)ACK告知本次測(cè)距順利完成；節(jié)點(diǎn)i接收后暫時(shí)退出信道競(jìng)爭(zhēng)，其他節(jié)點(diǎn)開始競(jìng)爭(zhēng)。單次測(cè)距的過程如圖4所示。

3 基于測(cè)距頻度的改進(jìn)

3.1 “RTS-CTS”改進(jìn)

“RTS-CTS”機(jī)制的引進(jìn)會(huì)使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的額外開銷增大，從而降低網(wǎng)絡(luò)的效率[10]；但他們的長(zhǎng)度與附帶大量數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)幀相比較短，可用小碰撞來代替大碰撞，減少碰撞概率和碰撞損失，盡可能地保護(hù)后續(xù)幀的傳輸。并且“RTS-CTS”機(jī)制的4次握手與雙邊雙向測(cè)距的信息交互完美契合：前3次握手進(jìn)行雙邊雙向測(cè)距，最后一次ACK告知網(wǎng)絡(luò)本次測(cè)距已完成。

因此本文在雙邊雙向測(cè)距的基礎(chǔ)上，基于CSMA/CA協(xié)議將節(jié)點(diǎn)間單次測(cè)距所需的信息交互流程設(shè)置為“測(cè)量請(qǐng)求、測(cè)量應(yīng)答、測(cè)量進(jìn)行以及測(cè)量確定”，其中前3次信息交互構(gòu)成一個(gè)完整的雙邊雙向測(cè)距，并將RTS和CTS 2個(gè)控制幀優(yōu)化為攜帶測(cè)量功能的幀，將ACK優(yōu)化為攜帶數(shù)據(jù)功能的幀，具體的流程為：

1）該節(jié)點(diǎn)想與測(cè)距目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，按照協(xié)議要求，它必須先偵聽信道是否處于空閑狀態(tài)，如果信道空閑且等待一個(gè)DIFS后仍空閑，就會(huì)向測(cè)距目標(biāo)發(fā)送一個(gè)攜帶測(cè)量幀以及計(jì)時(shí)信息的測(cè)量請(qǐng)求幀。計(jì)時(shí)信息的作用是告知其他節(jié)點(diǎn)信道已被占用，且會(huì)讓其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入冷凍期，并且會(huì)有一個(gè)計(jì)時(shí)倒數(shù)的功能，只有計(jì)時(shí)歸0其他節(jié)點(diǎn)才能嘗試接入信道。

2）測(cè)距目標(biāo)在接收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的測(cè)量請(qǐng)求之后，等測(cè)量請(qǐng)求的計(jì)時(shí)器歸0時(shí)會(huì)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)測(cè)量答復(fù)，并且也攜帶一個(gè)NAV信息，進(jìn)而避免別的節(jié)點(diǎn)對(duì)這次測(cè)量造成影響。

3）節(jié)點(diǎn)收到測(cè)量答復(fù)之后等計(jì)時(shí)歸0后，發(fā)送攜帶測(cè)量幀的數(shù)據(jù)幀。

4）測(cè)距目標(biāo)收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，將以廣播的形式將攜帶與本次測(cè)距有關(guān)的時(shí)間戳的ACK發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)，同時(shí)其他處于冷凍期的節(jié)點(diǎn)也可以接收到該ACK，此時(shí)它們得知本次測(cè)距已經(jīng)順利完成，則結(jié)束冷凍期，重新參與信道接入競(jìng)爭(zhēng)。節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)工作流程

3.2 退避機(jī)制的改進(jìn)

二進(jìn)制退避（binary exponential back off，BEB）算法[11]使得不同節(jié)點(diǎn)在經(jīng)歷退避后隨機(jī)選擇的退避時(shí)間盡可能不同，減少多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)接入信道的概率；但是退避機(jī)制也存在不足。由于通信網(wǎng)絡(luò)與協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的不同，原本在通信網(wǎng)絡(luò)中退避算法的缺點(diǎn)在協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)中不一定適用。具體包括：

1）BEB算法會(huì)使得通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不公平的現(xiàn)象。

2）BEB算法會(huì)造成競(jìng)爭(zhēng)窗口的震蕩。

因?yàn)榕c通信網(wǎng)絡(luò)注重?cái)?shù)據(jù)傳播且需要不斷傳播不同，協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的目的是完成節(jié)點(diǎn)間的測(cè)距，所以當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)競(jìng)爭(zhēng)接入信道與當(dāng)前的測(cè)距目標(biāo)完成測(cè)距，那么在下一個(gè)測(cè)距目標(biāo)出現(xiàn)前，該節(jié)點(diǎn)都不需要參與競(jìng)爭(zhēng)，這樣就不會(huì)出現(xiàn)上述2個(gè)問題。

但是在協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CA協(xié)議的退避算法仍存在以下不足：

1）無論協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)是多還是少，BEB算法的初始退避時(shí)間范圍固定不變。

目前對(duì)于退避窗口的改進(jìn)大多集中于重設(shè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功之后的競(jìng)爭(zhēng)窗口，但根據(jù)前文的分析，這些改進(jìn)顯然并不適用于協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)。對(duì)此本文提出以下2點(diǎn)改進(jìn)方法：

1）基于BEB算法靈活性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，本文提出根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模設(shè)定初始CW的辦法。在進(jìn)行協(xié)同定位測(cè)距時(shí)先對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)下的最佳初始競(jìng)爭(zhēng)窗口的值進(jìn)行仿真模擬，然后將最佳初始競(jìng)爭(zhēng)窗口設(shè)為最初的競(jìng)爭(zhēng)窗口。

3.3 “REPORT”機(jī)制的引進(jìn)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距的過程中仍存在著重復(fù)測(cè)距，節(jié)點(diǎn)間的信息交互過程還存在優(yōu)化的空間。為解決上述的問題，本文引入“REPORT”機(jī)制（將引入該機(jī)制的方法簡(jiǎn)稱為R-CSMA/CA）。

令節(jié)點(diǎn)號(hào)（identification，ID）小于的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)ID大于的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)。假設(shè)此時(shí)節(jié)點(diǎn)為測(cè)距目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)無須參與競(jìng)爭(zhēng)與節(jié)點(diǎn)測(cè)距，只有節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)需要競(jìng)爭(zhēng)接入信道與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距。引入“REPORT”機(jī)制前后節(jié)點(diǎn)間測(cè)距情況如圖6所示。

引入“REPORT”機(jī)制后協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)測(cè)距，即大組的個(gè)數(shù)不變，仍是個(gè)，但小組的個(gè)位不再是固定不變的－1，而是－（為已經(jīng)作為測(cè)距目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)ID），這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距所需要的測(cè)距次數(shù)減少了一半，并減少了高節(jié)點(diǎn)數(shù)下進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的次數(shù)，減少了競(jìng)爭(zhēng)所浪費(fèi)的時(shí)間，提高了協(xié)同定位的測(cè)距頻度。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距的時(shí)間為

3.4 中心站的引進(jìn)

隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)接入信道產(chǎn)生沖突退避的次數(shù)也會(huì)隨之增加，而高節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下退避時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，這樣退避次數(shù)和退避時(shí)間的同時(shí)增加會(huì)大大增加協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距所需要的時(shí)間。

對(duì)此本文提出一種新的方法（簡(jiǎn)稱為N-CSMA/CA）：在以個(gè)未知節(jié)點(diǎn)組成的協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)中引入一個(gè)中心站作為競(jìng)爭(zhēng)信道的媒介，個(gè)節(jié)點(diǎn)通過向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)來競(jìng)爭(zhēng)接入信道，一旦有一個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功，那么其他節(jié)點(diǎn)就會(huì)進(jìn)入冷凍期不會(huì)搶占信道，而競(jìng)爭(zhēng)成功的節(jié)點(diǎn)就會(huì)與其他未與自己完成測(cè)距的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互測(cè)距；當(dāng)該節(jié)點(diǎn)完成測(cè)距后，該節(jié)點(diǎn)會(huì)退出接入信道的競(jìng)爭(zhēng)，而處于冷凍期的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)并繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)接入信道；以此類推至所有節(jié)點(diǎn)間都完成測(cè)距。

這次改進(jìn)后大組的個(gè)數(shù)沒變，仍是個(gè)，但是每個(gè)小組的節(jié)點(diǎn)成功競(jìng)爭(zhēng)接入信道的次數(shù)減少了，那么N-CSMA/CA完成測(cè)距所需的時(shí)間為

與之前改進(jìn)方法不同，N-CSMA/CA在帶來更高測(cè)距頻度的同時(shí)，也帶來了更高的要求，包括：須增加中心站的額外支出；中心站關(guān)乎到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作，若中心站出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將無法正常運(yùn)行。

本節(jié)立足CSMA/CA協(xié)議在通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)的不同，通過引進(jìn)“RTS-CTS”和改進(jìn)退避算法減少單次測(cè)距時(shí)間，引進(jìn)“REPORT”避免重復(fù)測(cè)距，以及引進(jìn)中心站減少競(jìng)爭(zhēng)接入信道的次數(shù)來縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距所需的時(shí)間，進(jìn)而提高測(cè)距頻度。

4 基于測(cè)距精度的改進(jìn)

目前基于雙邊雙向測(cè)距的測(cè)距精度與時(shí)鐘偏差的關(guān)系往往會(huì)忽略傳播信號(hào)在信道傳播中的時(shí)間[12]，如圖7所示。

圖7 協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距過程

綜上所述可得

使用時(shí)延修正后得到的傳輸時(shí)間誤差為：

可以看出本文的實(shí)驗(yàn)修正算法確實(shí)可以有效減少由信號(hào)在信道中的傳播時(shí)間引起的測(cè)距誤差，達(dá)到提高測(cè)距精度的效果。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文使用MATLAB軟件對(duì)上述方法的測(cè)距時(shí)間以及測(cè)距誤差進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

5.1 基于測(cè)距時(shí)間的仿真及分析

仿真參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值分析參數(shù)

本文的仿真參數(shù)取值均依據(jù)IEEE802.11協(xié)議（控制幀、測(cè)量幀、數(shù)據(jù)幀、幀間間隔的大?。13-14]以及DW1000儀器的設(shè)置[15]（雙邊雙向測(cè)距中等待時(shí)間）。

由于MATLAB無法創(chuàng)建同一個(gè)對(duì)象的多個(gè)實(shí)例，無法并行處理每個(gè)節(jié)點(diǎn)的需求，所以本文以時(shí)隙為單位循環(huán)處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作。單次測(cè)距的仿真流程如圖8所示。

基礎(chǔ)方法單次測(cè)距的仿真結(jié)果與馬爾可夫模型的理論值對(duì)比如圖9所示。

可以看出本文的仿真結(jié)果與基于馬爾可夫模型的理論值相近，且二者的單次測(cè)距時(shí)間都隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加呈平緩增加的趨勢(shì)，說明本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的；而圖中基礎(chǔ)方法的測(cè)距時(shí)間也會(huì)用于下文改進(jìn)前后的測(cè)距時(shí)間對(duì)比。

“RTS-CTS”機(jī)制的引進(jìn)和退避機(jī)制的改進(jìn)均是通過基于單次測(cè)距的改進(jìn)來提高測(cè)距頻度，所以將這2種方法放在一起與基礎(chǔ)方法進(jìn)行仿真對(duì)比（退避機(jī)制的改進(jìn)是在“RTS-CTS”引進(jìn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的）。這2種改進(jìn)方法與基礎(chǔ)方法的單次測(cè)距時(shí)間以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距的時(shí)間對(duì)比如圖10所示。

圖8 單次測(cè)距的仿真流程

圖9 單次測(cè)距的仿真結(jié)果與理論值對(duì)比

圖10 3種方法的單次測(cè)距時(shí)間以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距時(shí)間

R-CSMA/CA（3.3節(jié)的方法）并未在單次測(cè)距方面進(jìn)行改進(jìn)，而是通過減少重復(fù)測(cè)距來提高測(cè)距頻度，R-CSMA/CA與前3種方法每個(gè)大組完成測(cè)距的時(shí)間和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距的時(shí)間對(duì)比如圖11所示。

可以看到在“REPORT”機(jī)制引進(jìn)前，每個(gè)大組完成測(cè)距的時(shí)間是相近的，均存在重復(fù)測(cè)距。在引進(jìn)“REPORT”機(jī)制后，避免了重復(fù)測(cè)距，隨著大組ID的增加，大組內(nèi)單次測(cè)距次數(shù)減少，從而導(dǎo)致大組完成測(cè)距所需時(shí)間減少，最終提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)距頻度。

N-CSMA/CA方法通過減少節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道的次數(shù)來減少大組完成測(cè)距的時(shí)間，該方法與其他方法每個(gè)大組和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距的時(shí)間對(duì)比如圖12所示。

圖12 5種方法整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距的時(shí)間

在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的情況下競(jìng)爭(zhēng)接入信道是一個(gè)很大的時(shí)間開支，N-CSMA/CA通過引入中心站的方法，使得每個(gè)大組完成測(cè)距所需的競(jìng)爭(zhēng)成功次數(shù)減少為1，減少了每個(gè)大組競(jìng)爭(zhēng)接入信道所需的時(shí)間，最終減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成測(cè)距所需的時(shí)間。

5.2 基于測(cè)距精度的仿真及分析

圖13 時(shí)延修正前后測(cè)距誤差

6 結(jié)束語

本文立足CSMA/CA協(xié)議在通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)別，提出一種適用于多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同定位測(cè)距方法。首先建立馬爾可夫模型，確定CSMA/CA參數(shù)對(duì)于測(cè)距時(shí)間的影響以及單次測(cè)距的理論值。其次，通過引入“RTS-CTS”機(jī)制、優(yōu)化退避機(jī)制、引入“REPORT”機(jī)制，以及引進(jìn)中心站的方法優(yōu)化測(cè)距過程。接著提出一種時(shí)延修正算法對(duì)傳播時(shí)延進(jìn)行估計(jì)和修正。最后，基于IEEE802.11協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)在MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文提出的方法確實(shí)可以提高測(cè)距頻度和測(cè)距精度。

[1] Zhang G, Xu B, Ng H F, et al. GNSS RUMS: GNSS realistic urban multi-agent simulator for collaborative positioning research[J]. Preprints, 2020.

[2] Jiang H Z. A review of collaborative positioning technology[J]. Telecom Power Technology, 2017.

[3] Zhang L, Tang L, Jia S, et al. A collaborative simplification method for multiple coastlines based on the hierarchical triangulation network partition[J]. Journal of Geodesy and Geoinformation Science, 2020, 3(2): 93-104.

[4] Ge W U, Pengfei J I, Zhang Z, et al. Low time-delay MAC protocol based on asynchronous scheduling for WSNs[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2019.

[5] Bin, Huang, Zheng, et al. Distributed GNSS collaborative positioning algorithms and performance analysis[C]//第六屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì). 西安: 中國(guó)電科20所, 2015.

[6] 洪家軍. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中隱藏節(jié)點(diǎn)問題的仿真與分析[J]. 榆林學(xué)院學(xué)報(bào), 2021, 31(4): 4.

[7] 曾言圣. ALOHA防沖突算法的研究與改進(jìn)[D]. 天津大學(xué), 2017.

[8] 孫宏偉, 曹雪虹, 焦良葆, 等. DS-TWR算法室內(nèi)定位批量測(cè)距系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J]. 電信科學(xué), 2022, 38(1): 73-82.

[9] Fourati, Hend, Idoudi, et al. Intelligent slots allocation for dynamic differentiation in IEEE 802.15.6 CSMA/CA[J]. Ad Hoc Networks, 2018, 72 (Apr.): 27-43.

[10] Al-Sarraf M. Simulation of performance analysis of the IEEE 802.11 DCF[J]. IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2022 (1): 17.

[11] 李莉, 李進(jìn), 路晨賀, 等. 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議UW-CSMA/CA的NAV優(yōu)化[J]. 無線電工程, 2022(3): 52.

[12] 袁楓, 焦良葆, 陳楠, 等. 室內(nèi)定位中DS-TWR測(cè)距算法的優(yōu)化[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化, 2021(10): 7.

[13] Almohammedi A A, Shepelev V, Darshi S, et al. Cost and efficiency analysis of steganography in the IEEE 802.11ah IoT Protocol[J]. Computers, Materials and Continua, 2022(8): 15.

[14] Aijaz A, Kulkarni P. Simultaneous transmit and receive operation in next generation IEEE 802.11 WLANs: a MAC protocol design approach[J/OL]. IEEE Wireless Communications. (2017-06-23). http://www.doc88.com/p-6728413879387.html.

[15] 李園園, 李勇. 基于DW1000的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)距優(yōu)化方法[J]. 無線互聯(lián)科技, 2016(21): 76-78.

Discussion on ranging performance of collaborative positioning network

QIU Kai, WANG Qian

（School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210000, China）

Aming at the problem of competing channels between nodes in the network brought by the co-location method, the paper proposed a ranging method suitable for multi-node co-location network: based on the difference between communication networks and co-location networks for carrier sense multiple access with collision avoid (CSMA/CA) protocol, the ranging process was improved by reducing the single ranging time, avoiding repeated ranging, and reducing the number of nodes competing to access channels; and a delay correction algorithm was put forwarded to estimate and correct the propagation delay. Experimental result showed that the proposed method could effectively not only improve the ranging frequency of the entire network, but also reduce the influence of propagation delay on the ranging accuracy, and improve the ranging accuracy.

carrier sense multiple access with collision avoid (CSMA/CA) protocol; collaborative positioning network; ranging accuracy; ranging frequency; Markov model

P228

A

2095-4999(2023)02-0186-10

仇凱, 王前. 協(xié)同定位網(wǎng)絡(luò)測(cè)距性能探究[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2023, 11(2): 186-195.（QIU Kai, WANG Qian. Discussion on ranging performance of collaborative positioning network[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(2): 186-195.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230222.

2022-11-18

仇凱(1997—)，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向?yàn)閰f(xié)同定位。

王前(1978—)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，副研究員，研究方向?yàn)閷?dǎo)航定位。