004.7:537.8:622.1

 

А.А. Кудряшов, аспирант

Черниговский государственный технологический университет, г. Чернигов, Украина

ZIGBEE ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ, ОСНОВАННОЕ
НА ВРЕМЕНИ ПОЛЁТА СИГНАЛА

А.А. Кудряшов, аспірант

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ZIGBEE ПОЗИЦІОНУВАННЯ, ЩО БАЗУЄТЬСЯ НА ЧАСІ ПОЛЬОТУ СИГНАЛУ

A.A. Kudrіashov, PhD student

Chernihiv State Technological University, Chernihiv, Ukraine

ZIGBEE POSITIONING BASED ON THE SIGNAL TIME OF FLIGHT

Рассмотрен беспроводный стандарт передачи данных физического уровня протокола IEEE 802.15.4a с точки зрения возможности определения расстояния. Рассмотрена структура пакета IEEE 802.15.4a. Проведён анализ локационных протоколов, начиная с протокола, оговоренного в стандарте, включая не входящие в стандарт протоколы, и их усовершенствования.

Ключевые слова: беспроводная сеть, локационные протоколы, время полёта сигнала, позиционирование.

Розглянуто бездротовий стандарт передачі даних фізичного рівня протоколу IEEE 802.15.4a з погляду можливості визначення відстані. Розглянуто структуру пакета IEEE 802.15.4a. Проведено аналіз локаційних протоколів, починаючи з протоколу, зазначеного у стандарті, включаючи ті, що не входять у стандарт, та їх удосконалення.

Ключові слова: бездротова мережа, локаційні протоколи, час польоту сигналу, позиціонування.

Reviewed wireless data transfer standard physical layer protocol IEEE 802.15.4a and the possibility of determining the distance. The structure of the package IEEE 802.15.4a. The analysis of radar protocols, starting with the protocol specified in the standard, including non-standard protocols and their improvement.

Key words: wireless, radar reports, the flight time signal, positioning.

Введение. Беспроводные сети малого радиуса действия становятся всё более популярными [1]. Результатом непрерывно растущих потребностей рынка стало появление стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee. Многим приложениям таких сетей требуется наличие информации о местоположении. В связи с важностью определения местоположения объектов в беспроводных сетях был разработан сверхширокополосный стандарт (UWB) передачи данных IEEE 802.15.4a для сетей малого радиуса действия [2].

Стандарт IEEE 802.15.4а определяет два варианта передачи: сверхширокополосные импульсные сигналы (IR-UWB) и расширение спектра методом линейной частотной модуляции (CSS). IR-UWB система может использовать несущую частоту 250-750 МГц, 3,244-4,742 ГГц или 5,944-10,234 ГГц, тогда как CSS использует 2,4-2,4835 ГГц. Для IR-UWB варианта определение расстояния предоставляется возможным, тогда как CSS сигналы могут быть использованы только для передачи данных [2]. Так как в данной статье изучается возможность определения расстояния для стандарта IEEE 802.15.4a, то рассматриваться будет только IR-UWB вариант.

IR-UWB система использует очень узкие импульсы для передачи информации, которые обычно передаются с заданной стандартом позицией и/или полярностью импульсов [3-5]. В отличие от обычных систем IR-UWB, информация в IEEE 802.15.4a стандарте передается пакетами импульсов в определённой последовательности и фазе сигнала [2]. Другими словами, структура сигнала в поле полезной нагрузки пакета IEEE 802.15.4a представляет собой модифицированную версию классического IR-UWB. Тем не менее, для синхронизации, преамбула пакета UWB импульсов с малым коэффициентом заполнения передается по аналогии с классической IR-UWB системой.

Принципы измерения расстояния. В соответствии с терминологией IEEE 802.15.4a, RDEV называется совместимое устройство, в которых реализована поддержка определения расстояния, RFRAME – это кадр, который несёт информацию о расстоянии.

RFRAME указывается путем установки бита расстояния в заголовке PHY пакета IEEE.802.15.4a. Расстояние между двумя RDEV определяется обычно через двусторонний обмен RFRAME и отслеживанием его прибытия, так как показано на рис. 1. Это называется двусторонним временем прихода сигнала (TW-TOA).

Предположим, что RDEV А хочет узнать расстояние до RDEV B. Время между уходом RFRAME от А и прием ответа RFRAME от B, _, может быть представлено как:

_, (1)

где _ – время пролета сигнала от А к В и _ – время задержки сигнала.

 

Рис. 1. Обмен сообщением в режиме двустороннего прохода сигнала при измерении расстояния

Измерение расстояния в этом режиме в большой степени зависит от того, как точно будет определено время _ Для одного прохода сигнала, учитывая, что в RFRAME под­мешивается белый гауссов шум и согласно частному случаю неравенства Рао-Крамера, можно определить нижнюю границу дисперсии значения _,

 (2)

где SNR – отношение сигнал-шум и β – эффективная ширина сигнала [6]. Очевидно, что большое значение SNR и/или более широкий спектр сигнала β увеличит точность определения времени пролёта _. UWB использует очень большой спектр, а поэтому вероятность того, что произойдет взаимная компенсация всех сигналов другими, чрезвычайно мала. Кроме того, так как для передачи применяются очень короткие импульсы, то не возникают и межсимвольные искажения – энергия принятого импульса практически всегда успевает фактически полностью затухнуть до момента прихода его следующей копии, которая к тому же еще зачастую просто обрезается в корреляторе приемника как помеха, не имеющая отношения к сигналу. Всё вышесказанное делает UWB пригодной технологией для измерения расстояния.

Как и в других беспроводных локационных системах, основными источниками ошибок в диапазоне UWB является многолучевое распространение, в условиях отсутствия прямой видимости (NLOS), и многопользовательские помехи (MUI) [7]. В разных средах скорость распространения и затухание сигнала будет разной, множественные копии передаваемого сигнала с различным уровнем затухания и времени задержки придут к приемнику. Таким образом, при согласованной фильтрации или корреляции на основе времени полёта сигнала, результат будет иметь несколько пиков, хотя только время первого пика имеет значение. При отсутствии прямой видимости от передатчика к приёмнику при условии множественных отражений, первый пик может и не быть самым сильным [8-9].

В стандарте IEEE 802.15.4a преамбула пакета разработана с учётом многолучевого распространения сигнала для облегчения процедуры определения времени полёта.

Структура пакета. В сетях стандарта IEEE 802.15.4a используется формат пакета, представленный на рис. 2. Пакет состоит из заголовка синхронизации (SHR) преамбулы, заголовка физического уровня (PHR) и поля данных. Преамбула SHR состоит из преамбулы «расстояния» и начала кадра (SFD).

Преамбула. Количество символов в преамбуле определяться в соответствии с требованиями приложения. Там может быть 16, 64, 1024 или 4096 символов, в зависимости от задержки, мощности канала связи, соотношению сигнал-шум и совместимости с уже существующими RDEV. Использование большей длины, 1024 и 4096, является предпочтительным для приема некогерентных сигналов, что позволяет улучшить их обработку. В таком случае точность измерения времени прихода сигнала повышается.

 

Рис. 2. Структура пакета IEEE 802.15.4a (BPSK бинарная фазовая манипуляция)

В стандарте предполагается, что приложение должно начинать локационные операции, установив длину преамбулы 1024 символа. Далее приложение должно отслеживать параметр добротности (FoM) для последующей корректировки длинны преамбулы.

Преамбула – это набор из 31 троичного символа (табл. 1). Каждый _элемент состоит из последовательности в 31 символ, 15 нулевых значений и 16 ненулевых значений, все _обладают идеальными периодичными АКФ. Другими словами, боковые лепестки АКФ равны нулю (рис. 3). Видно, что в приёмнике наблюдается минимум излучаемой мощности в канале между двумя последовательными пиками АКФ. При вычислении времени пролёта сигнала ошибки из-за боковых лепестков АКФ быть не должно.

Таблица 1

Базовые элементы преамбулы

№	Символ
	-	0	0	0	0	+	0	-	0	+	+	+	0	+	-	0	0	0	+	-	+	+	+	0	0	-	+	0	-	0	0
	0	+	0	+	-	0	+	0	+	0	0	0	-	+	+	0	-	+	-	-	-	0	0	+	0	0	+	+	0	0	0
	-	+	0	+	+	0	0	0	-	+	-	+	+	0	0	+	+	0	+	0	0	-	0	0	0	0	-	0	+	0	-
	0	0	0	0	+	-	0	0	-	0	0	-	+	+	+	+	0	+	-	+	0	0	0	+	0	-	0	+