割線定位結論

第四章割線定位法

4.4 割線定位結論

本章節所提出方法，不僅能以較簡單快速的定位演算法計算出感測節點位置，而且無須等待 Beacon 的發送，全程採取斜直線的方式也大幅降低了飛行的困難度。割線定位演算法至少需要四個虛擬定位參考點來接收感測節點的

Beacon，因此使用單一行動錨節點進行割線定位演算法時，需飛行兩非水平的割線並經過待定位感測節點的 Beacon 訊號有效傳輸範圍。當待定位感測節點採用 0.1 秒的 Beacon Interval 時，其定位誤差百分比約為 2% ~ 3%，但利用 Z 軸誤差修 正機制，其定位誤差百分比可以降至約 1%，可有效的提升定位準確性。

第五章

非理想通道訊號干擾

5.1 何謂非理想通道

隨著科技的進步，無線網路相關技術已經充分的應用在人們的生活之中。如廣泛應用的無線網路、智慧電網、無線行動通訊等。無線通信的優點，如：可以迅速組建起通信鏈路，實現臨時、應急、抗災通信的目的。而有線通信則有地理限制、線路施工等限制。然而，各項無線技術依其物理特性、協定規範下，各網路技術有各自的傳輸與適用環境。以智慧型手機為例，在其嵌入式系統中已整合了至少四種以上之無線通訊技術。因此，無線通訊的應用已逐漸朝向異質無線技術整合方向發展。相關的無線通信技術，包括 Wireless Personal Area Network (WPAN, IEEE 802.15)、Wireless Local Area Network (WLAN, IEEE 802.11[3])、

Wireless Metropolitan Area Network (WMAN, IEEE 802.16[27])、Wireless Sensor Network (WSN, IEEE 802.15.4[24]) 、 2G 、 3G 、 Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX, IEEE 802.11e[28]) 乃至四代 (4G, Next Generation Network, NGN) 無線通訊網路等。在如此眾多的無線技術共存的環境，我們通稱為異質無線網路。

在上述的無線技術中，2.4GHz 頻帶是一個被普遍使用的頻帶，因為此頻帶

之頻率範圍為 2.400 ~ 2.4835 MHz。正是所謂不用額外申請的 ISM (Industrial,

Scientific and Medical) 無線頻段。而在 2.4GHz 頻帶中目前最常使用的通訊種類，我們大概可區分幾類的通訊規範： 1. Wireless LAN. 2.4GHz IEEE

802.11b/g/n[29, 30, 31] 、 2. Short range Bluetooth 、 3. HomeRF( Home radio frequency )…等。在人們享受方便快捷的時候，這些技術的電磁相容問題日益突現，再加上無線電話和微波爐等干擾，使得該頻段日益擁擠，其中 IEEE 802.11b/g/n 和 IEEE 802.15.4 在 2.4GHz 頻帶為這兩種規範重疊的部分。如圖 5-1 所示，IEEE 802.11 的一個通道頻寬與 IEEE 802.15.4 的四個通道頻寬會有重疊。

22 MHz

3 MHz

2412 MHz 2425 MHz 2437 MHz 2450 MHz 2462 MHz 2475 MHz 2480 MHz

IEEE 802.15.4

25 MHz Channel spacing

Channel spacing 5 MHz

2405 MHz Channel 15 Channel 20 Channel 25, 26

24 83.5MHz

2400 MHz

IEEE 802.11b (DSSS) channel width 22 MHz

2400 MHz

3. 射頻晶片與天線長度之設計，2.4GHz 無線電和天線的體積相當小，因此相關應用產品其體積也得以微小化。

雖然工作於 2.4GHz 的無線通訊技術標準，在設計之初均加入了必要的設計來減小在同頻干擾的影響。但是在無線通訊技術快速發展的今日，該頻段已日益擁擠，為了能讓各種無線設備能正常運行。因此，如何避免之間的同頻干擾在無線共存分析上顯然是非常重要的。一個異質無線網路共存的環境，與原本單一無線網路系統的運作觀念上也將有極大的區別。同頻干擾對於 Network Layer、

Physical Layer 與 MAC Layer 將造成不同層面的影響。國內、外相關學者與研究單位亦投注相當心力於無線異質網路共存相關議題的研究，由此可知相關研究議題之重要性。尤其無線感測網路的相關應用日漸重要，如智慧電網、智慧家庭、

居家醫療、天然災害與公共建設安全監測等應用。如何確保其傳輸可靠性與傳輸效率已是當務之急。

5.1.1 異質無線通訊技術與 IEEE 802.15.4 間的同頻干擾

干擾源可大致分為兩種類型：駐波干擾及跳頻干擾。駐波干擾之干擾源指的是發射源長期處於同一頻率之上，因此常會有效地阻斷其工作頻段附近的其他無線信號。例如使用直接序列展頻(DSSS)調變方式的 Wi-Fi 及微波爐。但是在另一方面，跳頻干擾其干擾源則會不斷地改變其運行頻率，如 Bluetooth(IEEE 802.15.1)

即是使用跳頻調變的無線通訊技術。

5.1.2 IEEE 802.15.1 (Bluetooth)與 IEEE 802.15.4 間的同頻干擾

IEEE 802.15.1 採用跳頻展頻(FHSS)並將 2.4GHz ISM 頻段劃分成 79 個 1MHz 的通道。IEEE 802.15.1 設備以隨機方式在這 79 個通道間以每秒鐘 1600 次的頻率做跳頻的動作。跳頻技術使 IEEE 802.15.1 僅在部分時間才會發生使用頻率衝突的問題。而其他時間則能在彼此相異無同頻干擾的頻道中運作。IEEE 802.15.4 是採用非跳頻系統，所以 IEEE 802.15.1 在 79 組通信頻率中部分會和 IEEE 802.15.4 的工作頻率產生重疊，雖 IEEE 802.15.1 的同頻干擾可能會導致 IEEE 802.15.4 數據封包的重傳。但由於 IEEE 802.15.1 的跳頻天性，IEEE 802.15.4 封包的重傳將不會與下一次的頻率產生衝突，因為 IEEE 802.15.1 設備在 1/1600 秒後會跳到另一個頻率上。因此 IEEE 802.15.1 不會造成連續且較高的干擾源來中斷 IEEE 802.15.4 的數據傳輸。

5.1.3 IEEE 802.11-based 與 IEEE 802.15.4 通訊技術在訊號品質對通訊錯誤率之影響

IEEE 802.11 與 IEEE 802.15.4 均採用 DSSS 調變模式。如文獻[32]中的實驗證明，IEEE 802.15.4 物理層使用 DSSS 展頻與 QPSK 調變，較 Bluetooth (1Mbps, FHSS)及 IEEE 802.11 (2 Mbps FHSS, 11Mbps DSSS) 在同樣的訊號品質上有較佳

的表現。但因其傳輸功率較低，反易受其他發射功率較強的 DSSS 展頻信號的干擾。

如表 5-1 所示 IEEE 802.15.4 傳輸距離與訊框長度遠較 IEEE 802.11 短。因此

IEEE 802.11 對於 IEEE 802.15.4 的影響將遠大於 IEEE 802.15.4 對於 IEEE 802.11 的影響。IEEE 802.15.4 使用類似於 IEEE 802.11 的 CSMA/CA 演算法。每個設備在發送數據之前必須先監聽通道，以減小 IEEE 802.15.4 設備之間的頻率衝突。

因此當無線同質、異質產生同頻干擾的期間。依靠 Clear Channel Assessment (CCA) 機制與 CSMA/CA 演算法來減小由於傳輸衝突所造成的數據丟失。如果 IEEE 802.15.4 使用的通道與一個 IEEE 802.11 通道相重疊，依照與 IEEE 802.11 干擾源的距離，最多則有多達 36.8%的 Zigbee 數據封包會由於封包衝突而重傳[33]。

表 5-1、異質無線標準比較表

802.15.4 802.11b 802.11g 802.11a 802.11n

IEEE Ratified 2003 1999 2001 1999 2008

Frequency 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 2.4GHz 5GHz

Non-overlapping Channels 16 (2.4GHz) 3 3 12 3 12

Baseline Bandwidth Per Channel

250Kbps 11Mbps 54Mbps 54Mbps 65Mbps 65Mbps

Max Bandwidth Per Channel 250Kbps 11Mbps 54Mbps 54Mbps 130Mbps 270Mbps

Bandwidth 2MHz 22MHz 22MHz 22MHz

Transmit power 0 dBm 20 dBm 20 dBm 20 dBm 20 dBm 20 dBm

CCA 128μs N/A N/A N/A N/A N/A

Receiver Sensitivity -85 dBm -87 dBm -72 dBm -72 dBm -69 dBm -69 dBm

Max transmit power 1 mW 1000 mW 1000 mW 1000 mW 1000 mW 1000 mW

Range ~10-75 m ~ 140 m ~140 m ~120 m ~250 m ~250 m

在異質無線網路技術由於同頻干擾引起的資料封包丟失主要有三方面影響：延遲時間增加、功率消耗增加、資料傳輸能力下降。如在 Unicast 傳輸模式下，第一組資料封包由於同頻干擾而未被接收端正確接收。傳送端等待來自接收端的 ACK 封包的同時必須經由一段等待的延遲時間後方能確定原始資料封包丟失，然而後重傳原資料封包。在一個存在嚴重同頻干擾的無線異質網路共存的環境中，像這樣的重複傳輸可能需要重複多次方能實現成功傳送，導致整體傳輸

延遲大幅增加。

5.2 訊號干擾對於定位影響性

根據第四章中所提到的割線定位演算法，單一行動錨節點必須先得到待定位感測節點四個相同的 RSSI 值。而在前面章節中所提出待定位感測節點所發出的訊號皆以理想通道狀態之圓球體做為預設之環境。但在現實環境中，如上述之同頻異質干擾是相當容易發生的，因此 Beacon 訊號的有效傳輸範圍並不是如圖 5-2 中，DOI(Degree of Irregularity) = 0 時的理想圓球體。

圖 5-2、Degree of Irregularity[34]

如同 5.1 節所介紹的 2.4GHz 日益擁擠，生活中不只 Zigbee 用於 2.4GHz，還有許多的無線傳輸應用都是使用於 2.4GHz。這些同頻干擾導致 Zigbee 的訊號出現不穩定的現象，因此出現如圖 5-2 裡的 DOI=0.01 的鋸齒狀的訊號，而不是理想的圓球體訊號。O. Zhou, T. He 和 J.A. Stankovic [34]的研究中，提到DOI 模型就是考慮到節點的傳輸範圍可能為非理想圓體。當 DOI 的數值越高時，鋸齒狀的 情況就會越嚴重表示傳輸範圍被環境影響較為嚴重。根據[34]，K_i表示 DOI 的實

58 點接收到較低的 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)訊號。根據方程式

(39)，當 SINR 的訊號產生變化會影響到 RSSI 的數值。因此，受到其他訊號的干

Jun Huang 等人[35]對於 PRR(packet reception ratio)與 SINR 之間關係針對兩種案例做了一些實驗，分別為「相同節點在不同地點」與「相同節點在不同時間」

兩組實驗呈現 PRR 與 SINR 之間的關係。其實驗結果如圖 5-3 所示。結果顯示，

當 SINR 小於 4 dB 後，其訊號導致 PRR 大幅降低。因此在 SINR 與 PRR 關係中將存在於一組臨界值做為訊號接收度的分界點。

(a) 使用相同節點在不同地點所呈現之 PRR 與 SINR 之關係

(b) 使用相同節點在不同時間所呈現之 PRR 與 SINR 之關係圖 5-3、PRR-SINR 模型測量之關係圖[35]

其中 PRR 為無線收發器 成功接收封包的機率。如方程式(40)所示

)

) (

( )

( _ ^^

  b 

p  (40)

) (

b :  接收到封包之機率。

) (

 : 封包長度(bit)。

而b_()可以改寫成方程式(40)

圖 5-4、訊號干擾對於割線定位演算法之影響

如圖 5-4 (此為上視圖) 中說明訊號干擾對於割線定位演算法之影響，圓形訊號範圍為待定位感測節點在於理想通道所發送的訊號情況，也就是沒有受到其他

2.4GHz 的設備所干擾的情形。然而不規則形為待定位感測節點在於非理想通道時，所發送的訊號受其他 2.4GHz 的設備干擾後所產生不規則(非球體)的有效訊號 範圍。由圓形來看，四個虛擬定位參考點(P₁，P₂，P₃，P₄)皆在圓上。根據前面 章節所提，此四個虛擬定位參考點 RSSI 會相同，相對四段距離也是相同(d₁ = d₂ =

d₃ = d₄)。然而，當傳輸訊號受到干擾則訊號範圍不在是理想的圓形，如同圖 5-4 不規則形的訊號範圍。此情形會造成當單一行動錨節點穿越待定位感測節點的訊號時，因環境干擾而取得四個相同的 RSSI 數值。把這四個虛擬定位參考點的位

62 Beacon 封包的接收錯誤導致，表示此一 Beacon 封包沒有被行動錨節點正確接收，

則表示無法取得該封包的 RSSI 數值。

圖 5-5、因訊號干擾而導致封包錯誤

如圖 5-5，假設在於星號位置本來應該收到封包。但卻因為環境雜訊的干擾，

使得封包錯誤而丟棄封包。根據文獻[35]顯示，SINR 越低相對的 PRR 也就越低。

PRR 的另一方面解釋即為 FER (Frame Error Rate)，也就是說 PRR 越低，則表示 FER 就越高。FER 的計算如下方程式(44)表示。因此，環境干擾越大，則 FER 就會越高，造成封包錯誤的機率也就越高。

BER bit

FER1(1 ) (44)

BER : Bit Error Rate。

bit : 為封包長度，以 bit 為單位。

然而，單一行動錨節點在定位的過程中，是持續維持等速移動飛行的狀況。

因此，當 Beacon 封包因 FER 數值過高，造成封包接收錯誤而必須待下一個 Beacon 成功接受時方能做為虛擬定位參考點，其三維座標位置已經與真正該做為虛擬定

在文檔中應用單一行動錨節點於無線感測網路非理想通道之三維定位研究 (頁 60-0)

第四章 割線定位法