在很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用中，沒有節(jié)點位置信息的監(jiān)測往往毫無意義。當監(jiān)測到事件發(fā)生時，關(guān)心的一個重要問題就是該事件發(fā)生的位置，如森林火災(zāi)監(jiān)測，天然氣管道泄漏監(jiān)測等。這些事件的發(fā)生，首先需要知道的就是自身的地理位置信息。定位信息除了用來報告事件發(fā)生的地點外，還可用于目標跟蹤、目標軌跡預(yù)測、協(xié)助路由以及網(wǎng)絡(luò)拓撲管理等。因此節(jié)點定位問題已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個首要解決的問題。

　　1 問題描述

　　超寬帶(Ultra WideBanol，UWB)通信技術(shù)是一種以ns級的沖擊脈沖在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。這種通信技術(shù)具有隱蔽性好、穿透能力強、定位精度高以及功耗低等特點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測距、定位應(yīng)用中，具有十分重要的現(xiàn)實作用，并己經(jīng)應(yīng)用到實際物資供應(yīng)跟蹤定位中。

　　UWB信號具有非常寬的帶寬，將其應(yīng)用于TOA定位方法有助于實現(xiàn)較高的測距精度。然而，在實際應(yīng)用環(huán)境常常出現(xiàn)多徑干擾，此時UWB直達信號難以精確檢測。因而，本文提出了通過模糊邏輯技術(shù)對首次到達信號時間和最強信號時間進行加權(quán)來得到直達信號到達時間的方法，使得UWB在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位中的應(yīng)用成為可能。

　　2 TOA距離估計方法

　　對于一個單路徑加性白噪聲(AddiTIve White Gaussian Noise，AwGN)信道條件，可以利用TOA測距的距離估計根均方差：

　　其中，S(f)為發(fā)送的傳輸信號的傅立葉變換。顯然，估計的根均方差同信號的RSNR和有效帶寬有關(guān)，RSNR和有效帶寬越大，估計的根均方差越小。由于UWB信號帶寬非常寬，UWB無線信號應(yīng)用基于時間的技術(shù)可實現(xiàn)相對精確的定位。

[$page]　　一般情況下，TOA定位方法是利用檢測接收信號中的直達路徑的到達時間，來測量通信收發(fā)節(jié)點間的距離。因此，對直達路徑信號到達時間的精確估計是至關(guān)重要的。本文所討論的節(jié)點定位方法針對的是典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。一般來說，通過檢測接收到信號的幅度是否最大來確定直達信號的到達時間，但是這種方法在多徑條件下難以達到較高的測量精度。典型多徑環(huán)境下的UWB接收信號如圖1所示。直達信號(direct path)并非首次到達信號(first path，與門限有關(guān))或幅度最強信號(strongest path)，因此在這種情況下，使用首次到達信號或幅度最強信號的到達時間都不能準確估計發(fā)射端節(jié)點和接收端節(jié)點之間的距離�？梢岳�用最大似然估計法檢測直達路徑信號的到達時間來計算傳感器節(jié)點之間的距離，但在復雜多徑環(huán)境下容易造成信號波形的失真，因此有一定的實現(xiàn)難度。針對UWB直達信號難以精確檢測的特點，本文提出通過對首次到達信號時間和最強信號時間進行加權(quán)來得到直達信號到達時間，其加權(quán)系數(shù)由模糊邏輯技術(shù)獲得。

　　3 基于模糊邏輯的權(quán)值選取

　　設(shè)UWB信號在T0時刻被發(fā)送，在接收端節(jié)點接收到的首次到達信號和幅度最強信號的到達時刻分別為Tf和Ts，而直達信號到達時刻通過下式計算：

　　其中c=3×108m／s，為無線電信號在自由空間的傳播速度。

[$page]　　這里使用模糊邏輯技術(shù)來選取權(quán)值a。設(shè)首次到達信號和幅度最強信號的幅度分別為Ef和Es，并定義E=|Ef|／|Es|，Tr=(Tf- T0)／(Ts-T0)。Er和Tr為模糊邏輯函數(shù)的輸入，a為輸出。Er、Tr和a分別定義了低、中、高3個值。選擇a值的規(guī)則如表1所列。

　　4 仿真分析

　　對測得的多徑環(huán)境下的UWB接收信號方法的測距精度進行驗證，并結(jié)合節(jié)點定位技術(shù)，對節(jié)點進行定位。Er，Tr和a的隸屬函數(shù)如圖2所示。

　　取發(fā)射信號時刻T0=0，在接收端分別記錄下首次到達信號時刻Tf，幅度最強信號的到達時刻Ts，首次到達信號幅度Ef和幅度