訊號干擾之割線定位結果

根據上述對於訊號干擾與定位誤差之關係，此章節將針對割線定位演算法，

在於非理想通道受到環境雜訊干擾後的定位情況進行模擬。根據圖 5-6 IEEE 802.15.4 對於 super-frame 結構之敘述：

65

圖 5-6、An example of the superframe structure 其中 IEEE 802.15.4 的 Beacon Interval (BI)以方程式(45)表示。

BI = aBaseSuperframeDuration2^BO (symbols) (45) BO : Beacon Order

aBaseSuperframeDuration = aBaseSoltDuration aNumSuperframeSlots

= 6016 = 960 symbols

將 IEEE 802.15.4 傳輸速率為 250Kb/second 以及 4bit/symbol 計算，所以每秒將可 傳送 62.5K 組 symbol。

因此，方程式(45)可以改寫成方程式(46)以計算實際 Beacon Interval 之時間長度。

66

BI = 15.36ms  2^BO (46)

模擬參數設定如表 5-2 顯示。而 Beacon Order 所對應的 Beacon Interval 如表 5-3 所示。

表 5-2、非理想通道定位模擬參數

傳輸頻率 2.4GHz

傳輸功率 2 mW

路徑損耗模型 Freespace RSSI (dBm) -85 ～ -70 Bit Error Rate 10^-3、10^-4、10^-5、10^-6

Beacon Order 1、2、3、4、5

表 5-3、Beacon Order (BO) V.S Beacon Interval Beacon Order Beacon interval (秒)

1 0.03072

2 0.06144

3 0.12288

4 0.24576

5 0.49152

圖 5-7 與圖 5-8 分別顯示在非理想通道環境下以割線定位演算法所得到的定 位距離誤差與定位誤差百分比的模擬結果。其結果分別由上至下為 BER=10^-3、 BER=10^-4、BER=10^-5與 BER=10^-6四種非理想通道情形。水平軸為各級別的 RSSI

67

數值，在圖 5-7 中縱軸為定位距離誤差，而圖 5-8 之縱軸為定位距離誤差百分比。

從圖 5-7 與圖 5-8 中可以得知，當 BER 小於 10^-4時，Beacon Order (BO)越小 相對會有較小的定位誤差。如圖 5-8 的 BER=10^-4且 BO=4 時，誤差百分比約為

4% ~ 8%之間。而 BO=3 時，誤差百分比約為 2% ~ 6%，減少了大約 2%的誤差。

但是，當 BO 小於 3 之後，定位誤差將不再有明顯的改善。然而，BER=10^-3, BO 小於 3 卻是有較大的定位誤差。如 BO=1 誤差百分比約為 12% ~ 20%，而 BO=3 誤差百分比約為 6% ~ 10%。這是因為當 BO 越小則 Beacon Interval 也就越小。當 傳送封包連續多個封包錯誤後。傳送端與接收端之間會造成連線中斷，並且要求 重新連線。另外，因 Beacon 封包傳送時間過於密集，因 CSMA/CA 機制[24]，使 得連線請求封包無法順利送出。因此，過於密集的 Beacon 封包將導致長時間的 連線中斷，並無法順利接收下一個 Beacon 封包。此情況相當於大量增加了 Beacon Interval 的時間，導致定位誤差也就會越大。

68

圖 5-7、訊號干擾之定位距離誤差

69

圖 5-8、訊號干擾之定位誤差百分比

70

圖 5-9、訊號干擾之修正後定位距離誤差

71

圖 5-10、訊號干擾之修正後定位誤差百分比

72

圖 5-9 與圖 5-10 分別為非理想通道下，利用第四章所提出的 Z 軸修正機制修 正 z 軸數值後之定位距離誤差與定位誤差百分比之模擬結果。由結果圖 5-9 和圖

5-10 中發現，則可以看出 Z 軸修正將有助於定位準確度的提升。如圖 5-8 在未進 行 Z 軸修正之定位結果，當 BER=10^-4且 BO=3 時，誤差百分比約為 2% ~ 6%，

而圖 5-10 顯示經由 Z 軸修正，當 BER=10^-4且 BO=3 時，其誤差百分比約為 1% ~ 2%，因此改善幅度約高達 4%。然而，數據圖 5-7 至圖 5-10 之波動現象，原因為 Beacon 封包錯誤造成無法正常接收封包取得 RSSI，導致定位誤差變大之結果影 響。

因此，對於 BER10^-4非理想通道環境，BO 數值建議選用「3」。因為 BO<3，

對於定位誤差百分比無法得到更有效的改善。並且 BO 越小也就是 Beacon 發送 的越密集。則可能會導致待定位感測節點的能源消耗過快。然而當 BO>3 時，由 圖 5-10 的定位誤差百分比之結果而言，其定位結果將較 BO=3 時表現的還要差。

然而，BER>10^-4對於 BO<3，當傳送端和接收端產生斷線時，會造成通道被占據 無法快速重新連線之問題。因此，導致較差的定位結果，所以 BO 數值的選擇也 是選用「3」。透過本研究之分析，將可提供未來再考慮實際非理想通道下，發展 無線感測網路定位技術之參考。

73

第六章

結論與未來研究方向

節點定位是無線感測網路中相當重要的一種應用，位置資訊除能有效辨識節 點與提升無線感測網路中路由機制與傳輸效率，更能提供各種衍生的創新服務。

然而在眾多的無線感測網路定位之研究，大多數的定位演算法都是基於二維度空 間進行討論。但在現實生活的應用上，均是以三維度空間呈現，如天然災難監測、

人員搜尋定位系統等。因此單純把二維空間的定位演算法用於三維空間定位中是 截然不同的。因此，發展三維空間的定位演算法有其必要性。

在無線感測網路在節點定位上的應用，Range free 的定位方式通常以接收訊 號強度估算傳送端和接收端之間的距離。本論文基於無線感測網路三維空間定位 的基礎下，提出「單一行動錨節點定位法」和「割線定位法」兩種定位方法。此 兩種定位方法均至少需要四個用以接收待定位感測節點 Beacon 的虛擬定位參考 點。然而，本論文所提出之三維空間定位演算法，皆使用單一行動錨節點作為訊 號接收與定位運算的主要設備，但因使用單一行動錨節點，使得使用多組行動錨 節點在資訊同步之問題更容易克服，並且利用無人飛行載具作為行動錨節點，將 有助於應用於無法佈建固定參考點的環境下。例如山難登山客的搜救定位。

74

在第三章所提出的「單一行動錨節點定位法」，以每單次移動只改變一個軸 向的方式，單一行動錨節點在進行定位移動與計算。估計位置的準確性與平均距 離是成線性增加的。根據實際模擬所產生之結果，其定位誤差百分比平均僅有

0.04%。然而，只要感測節點的 Beacon 在傳輸範圍裡，利用單一行動錨節點即可 準確且迅速的將待定位感測節點之座標計算完成。然而，因其定位演算法必須以 本論文所提出的定位飛行模式飛行，在較廣範圍之定位搜索時，其飛行模式將會 過於複雜。有鑑於此，本論文在第四章提出「割線定位法」，應用割線幾何原理，

利用割線之特性，單一行動錨節點將會以直線飛行並穿越待定位感測節點之訊號 範圍的方式移動。利用割線定位法除能快速的以三維空間座標定位感測節點外，

而且無須等待 Beacon 的發送，也同時大幅降低了單一行動錨節點的飛行困難度。

經模擬實驗證明，當採用 0.1 秒之 Beacon Interval 對於誤差百分比約為 2% ~ 3%，

然而透過高度修正，誤差百分比可以降至約 1%以下，有效的提高準確性。並且 定位有效距離達 250 公尺。

然而在現實生活中，許多的無線通訊技術均共用於 2.4GHz 之 ISM 免執照的 共通頻段，例如 IEEE 802.11、IEEE 802.15.1 以及 IEEE 802.15.4。因此，第五章 將針對非理想通道，考慮當受其他同時工作於 2.4GHz 的無線通訊技術同時使用 所發生的異質同頻的無線訊號干擾，或因為天候、空氣濕氣與溫度所產生的環境 雜訊，導致 Zigbee 的接收訊號強度產生變化，針對不同的 Bit Error Rate 與調整

75

不同的 Beacon Order 進行模擬研究。根據模擬實驗結果呈現，對於 BER10^-4， 則 BO 數值將可選用「3」。因為選用 BO<3 之 Beacon Order，非但無法有效的改 善降低定位誤差，結果卻因 BO 越小而發送越密集的 Beacon，導致過於密集傳送

Beacon 使得待定位感測節點在短時間內加速耗盡電池電力。而且，經過詳細的模 擬分析了解，當 BER>10^-4選用 BO<3，因大量的 Beacon 封包因通道干擾使接收 端無法正常接收，將導致傳送端和接收端產生連線中斷，無法快速重新連線之問 題。因此，導致定位結果產生較高的定位誤差率，因此透過本研究之分析，將可 提供未來再考慮實際非理想通道下，發展無線感測網路定位技術之參考。

在未來的研究方面，將可延伸針對接收訊號強度的精確度進行研究。因為實 際上接收訊號強度本身已存在著不穩定性。加上環境雜訊干擾，接收訊號強度的 浮動更加強烈。然而，接收訊號強度對於定位是相當重要的資訊。因此，不穩定 的訊號將會影響到定位結果。另外，也可以針對移動性的待定位感測節點進行研 究。因為對移動中的物體進行定位，還有許多要考慮的變數。並且更進一步的可 以記錄移動路徑和移動方向。將本研究之成果，實際佈建於無人飛行載具上也是 未來研究可以發展之方向。例如用於迷途登山客之協尋。藉由接收登山客所配戴 之無線感測節點所發出之訊號強度，利用行動錨節點上所配置之感測元件，主動 協助搜尋迷途登山客並預測登山者當前所在之位置，將登山客位置回報給登山管 理局後作為救援行動之參考資訊。

76

參考文獻

[1] Smart Dust Project, http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/

[2] Wei Xin, Wang Quandi, Yang Chenghe, Yang Yongming, “A Three-dimensional Node Localization Algorithm of High-precision in Wireless Sensor Network,” Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology, Feb. 2009. pp. 1 – 5

[3] IEEE 802.11 Work Group, “Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,” ANSI/IEEE Std 802.11, 1999.

[4] Bluetooth standard, http://www.bluetooth.org.

[5] L. Cong and W. Zhuang, “Hybrid TDOA/AOA Mobile User Location for Wideband CDMA Cellular Systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, Jul. 2002.

pp. 439 – 447

[6] M. McGuire, K.N. Plataniotis, and A.N. Venetsanopoulos, “Location of Mobile Terminals Using Time Measurements and Survey Points,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, Jul. 2003. pp. 999 - 1011

[7] N. Patwari, A.O. Hero, M. Perkins, N.S. Correal, and R.J. O’Dea, “Relative Location Estimation in Wireless Sensor Networks,” IEEE Transactions on Signal Processing, Aug.

2003. pp. 2137 - 2148

[8] P. Bergamo and G. Mazzini, “Localization in Sensor Networks with Fading and Mobility,” Proceedings of the 13th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, Sep. 2002. pp.750 - 754

[9] Davide Merico and Roberto Bisiani. “Positioning, localization and tracking in wireless sensor network,” Technical report, DISCo, NOMADIS, Mar. 2006.

[10] Rong Yu, Zhi Sun and Shunliang Mei. “A power aware and range free localization algorithm for sensor network,” In IEEE Transactions on Communications, Aug. 2006. pp.

77

1 - 5

[11] Yu-Chee Tseng, You-Chiun Wang. “Distributed deployment scheme in mobile wireless sensor networks to ensure multi level coverage,” In IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, Sep. 2008. pp. 1280 - 1294

[12] Jiang Jin, Yi Wang, Chen Tian, Wenyu Liu and Yijun Mo. “Localization and synchronization for 3d underwater acoustic sensor networks,” In Springer, Ubiquitous Intelligence and Computing, Hong Kong, China, Jul. 2007. pp. 622 - 631

[13] Baoli Zhang, Fengqi Yu, Zusheng Zhang, “Collaborative Localization Algorithm for Wireless Sensor Networks Using Mobile Anchors,” In Proceedings of Asia-Pacific Conference on Computational Intelligence and Industrial Applications, Nov. 2009. pp.

309 - 312

[14] M.L. Sichitiu, V. Ramadurai, “Localization of Wireless Sensor Networks with A Mobile Beacon,” In Proceedings of the IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, Oct. 2004. pp. 174 - 183

[15] Dragos Niculescu and Badri Nath, “Ad Hoc Positioning System (APS),” IEEE Global Telecommunications Conference, Nov. 2001. pp. 2926 - 2931

[16] Sua Yee Wong, Joo Ghee Lim, SV Rao and Winston KG Seah, “Density-aware hop-count localization (DHL) in wireless sensor networks with variable density,” In Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Mar.

2005. pp. 1848 - 1853

[17] J. Liang, J. Shao, Y. Xu, J. Tan, D. B.T., and B. P.L., “Sensor network localization in constrained 3-d spaces,” Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Jun. 2006. pp. 49 - 54

[18] L. Zhang, X. Zhou, and Q. Cheng, “Landscape-3D: A Robust Localization Scheme for

78

Sensor Networks over Complex 3D Terrains,” Proceedings of the 31st IEEE Conference on Local Computer Networks, Nov. 2006. pp. 239 - 246

[19] M. Kushwaha, K. Molnar, J. Sallai, P. Volgyesi, M. Maroti, and A. Ledeczi, “Sensor Node Localization Using Mobile Acoustic Beacons,” Proceedings of the IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems Conference, Nov. 2005.

[20] Chia-Ho Ou and Kuo-Feng Ssu. (2008) “Sensor position determination with flying anchor in three dimensional wireless sensor networks,” IEEE Transactions on Mobile Computing, Sep. 2008. pp. 1084 - 1097

[21] Vibha Yadav, Manas Kumar Mishra, A.K. Sngh and M. M. Gore, “Localization scheme for three dimensional wireless sensor networks using GPS enabled mobile sensor nodes,”

International Journal of Next-Generation Networks (IJNGN), No.1, Dec. 2009. pp. 60 - 72

[22] K. Feher, 1995, “Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spertrum

[22] K. Feher, 1995, “Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spertrum