基于信号幅度衰减测距的水下定位方法

摘要：无线传感器网络中节点规模大、能量有限、可靠性差、随机部署，无线模块的通信距离有限，虽然运用全球定位系统是个很好的选择，但是其体积大、成本高、能耗多而且需要基础设施，不适用于低成本、自组织的无线传感器网络。通过研究发现，基于信号幅度衰减测距的水下定位方法不仅能够满足无线传感器网络节点定位的要求，而且其成本较低，易理解及操作，精度高。
关键词：无线传感器；信号；衰减测距；水下定位

0 引言
    节点定位在无线传感器网络的应用中非常重要，传感器节点所采集到的数据必须结合其位置信息才有意义，节点的定位还可以在外部目标的定位和追踪以及提高路由效率等方面发挥作用。节点定位在整个传感器网络中占有重要的地位，在事件观测、目标跟踪、网络构建等方面都是不可缺少的环节。无线传感器网络的定位问题可分为两类，一类是无线传感器网络对自身传感器节点的定位，另一类是无线传感器网络对外部目标的定位，如目标跟踪问题。本文主要讨论节点自定位技术。
    传感器节点通常随机部署，以自组织的方式相互协调工作，定位必须在部署后完成。全球定位系统是目前应用最广泛的定位系统，但是其体积大、成本高、能耗多和需要基础设施，不适用于低成本、自组织的无线传感器网络，或者只有少数节点配备来确定自身位置，作为其他节点定位的参考。在无线传感器网络中节点规模大、能量有限、可靠性差、随机部署、无线模块的通信距离有限，这通常要求定位机制具备自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等特点。
    在基于以上要求的前提下，基于信号幅度衰减测距的定位方法能够很好地满足上面的要求。由于网络模型是在水下环境中，定位问题还应该考虑到水下通信的特殊性和环境带来的影响，一些适用在陆上无线传感器网络的定位方法不在适用于水下环境，同时为减少开销尽可能少地使用具有GPS功能的节点。

1 基于信号幅度衰减测距的水下定位方法
    在无线传感器网络中，常用的测量节点间距离或角度技术有RSSI，AOA，TOA及TDOA。在此基础上，根据信号幅度的衰减随着传播距离和信号频率的不同而变化，推导出了距离与频率和幅度衰减等参数的公式。
1．1 水声传播的损失计算
    根据水声原理，可以得到水声传播损失的公式如下：
    (1)对于浅海表面声道：

    (2)对于深海声道：
    传播损失公式如下：

1．2 基于信号幅度衰减的测距定位方法
    以浅海远距离声道为例描述定位方法，如图1所示。

    图中：Us为发送端电信号；换能器的电声效率有其频率响应曲线；k，t为比例系数；Ps为发送端换能器将电信号转换为的声波信号的幅度，即声压；声波经传输后有传播损失，即声压级的降低；Pr为衰减后接收端处声波信号的幅度；换能器的灵敏度Mu=u／p，u为换能器接收的输出电压，p为声波信号的声压，当然，灵敏度也有其频率响应曲线；Ur为声波经接收端换能器转换后的电信号幅度。
    电信号与声波信号关系的具体公式如下：
    发送端电信号转换为声信号公式为：
   
    接收端声信号转换为电信号公式为：
    Mu=Ur／Pr      (5)
    可以将距离表示为关于频率和幅度衰减的函数，下面进行具体的运算，式(4)和式(5)代表频率分别为f1，f2的两个信号经过图1所示流程：
   
    其中：将[(α1+αL1)-(α2+αL2)]记为α(f1，f2)，在最大反转距离H，水温t，海况级数n确定以后，α(f1，f2)就是关于f1，f2的函数；然后再将发送接收端电声转换公式代入，可以得到：


2 方法的分析和实验设计
2．1 信号转换、传输和处理的流程
    下面从信号处理的角度来分析本文方法的具体实现。本文所用的柱状换能器共有4个频带，每个频带有16个频点，频率由低到高依次代表了0000到1111共16个二进制数，换能器一次发送4个4位二进制数，共16位。信号转换、传输和处理的流程如图2所示。

    整个过程信号传输和变换的流程如下：
    分别来自这4个频带的4个代表了二进制数的信号叠加后由换能器发送，发送端换能器将电信号转换为声信号，接收端换能器再将经过衰减的声信号转换回电信号，这时电信号经过前置低通滤波器、A／D转换、加窗处理变换为可以由数字滤波器或计算机处理的有限长离散序列，此时可得出信号的频谱。这时在频谱中可以得出信号幅度的极值点，而极值点对应的频点就代表了传送的二进制数据。现在利用幅度的衰减来进行定位，所以对传送的具体的二进制数据可不必详细追究，主要关注信号的频率和接收端信号的幅度。
2．2 实验设计
    本节设计了一个基于换能器的海上试验，检验利用上述方法得到的节点之间的距离与实际距离是否相同或接近。
    首先按设定的距离(记为R)布置好换能器，然后根据深海浅海、远近距离找到与此对应的公式，例如浅海远距离：
   
    式中：部分为换能器本身的参数，可从生产厂家得知部分为信号幅度比，可以从发送接收端得到；α(f1，f2)部分中f1，f2是已知的，而t，n，H可通过现场测量考察得到。利用该公式求得一个距离r，和实际距离R比较，以检验本文方法是否准确。

3 结语
    水下定位是水下无线传感器网络研究的一个热点问题，针对水下的情况，通过研究水下声波传输过程特点进而推出节点之间的距离来进行定位。基于信号幅度衰减测距的水下定位方法不仅能够满足无线传感器网络节点定位的要求，而且其成本较低，易理解及操作，精度高，可用于实际应用中。
    随着技术发展，水下节点的能量问题可能会因电池能够长久供电而变成次要问题，由此引起了相应的网络连通性、定位、路由等问题的重新分析与设计，新目标的引入必将推动该领域新的发展。