无线通信网络组建方法和特点

如何实现无线通信网络组建，为了保证锚点都能与PAN协调器正常通行，一个通信网络是必然需要的。同时可以大致分为四个场景：多锚测距场景、数据回传场景、链路变化场景、角色移动场景。

在RTLS系统中，需要实时检测标签与锚点（Anchor）的距离，并结合锚点自身的位置，就可以依据换算算法得到标签的相对位置。在实际应用场景中，需要组建一个锚点检测网络，把检测到的距离信息回传到上位机系统，根据锚点自身相对本地地图的坐标信息，以及检测到的距离信息，换算得到指定标签的位置信息，这样才能在实现在某一特定范围检测指定标签，此外还行支持标签自身的位置计算，即标签可以通过网络获取锚点的位置信息并结合测试结果就能计算出本身位置。

在实际的RTLS系统运行中，可以大致分为四个场景：多锚测距场景、数据回传场景、链路变化场景、角色移动场景。具体如图2-1所示：

图2-1RTLS系统场景说明图

如果能保证RTLS系统在这个四个场景中都能安全稳定的工作，实现待监测区域构建锚点监测网络，实现范围内无盲点标签距离测定和监测数据回传。在这四个场景中大致面临如下几个问题需要解决：

1）无线通信网络组建

2）标签位置信息检测

3）标签移动时的测量

4）有效检测和利用率

3.详细说明与解决

无线通信网络组建

问题描述：

为了保证所有的锚点都能与特定锚点（PAN协调器）正常通行，就必须要构建一个通信网络，消息通过点对点或点跳跃路由后到达目的锚点。现有芯片DW1000已经实现PHY层和MAC层，这样锚点就具备了点对点通信的能力，即支持构建通信网络拓扑结构。为了构建通信网络，我们需要在MAC层上实现网络层协议（路由协议），这样就能实现锚点间通信。

方案说明：

针对低速无线个人区域网络的路由协议目前比较常见的是AODV算法和他的改进算法，AODV算法旨在多个移动节点中建立和维护一个动态的，自启动的，多跳路由的专属网络。但是AODV算法比较复杂而且考虑到本案中需求的特殊性，因此也需要定义一个改进算法以便更适应本方案的通信需求。

方案通信特点说明：

本案中的网络通信主要负责把标签（tags）测量到的距离信息回传到上位机，它具有如下特点：

1）目的地址可预测，位置变化不频繁。

2）通信方式主要为单方向。

3）通信节点（锚点），位置变化不频繁。

4）通信数据为无连接模式。

5）链路可修复

6）节点自动添加

因此我们只需要构建一个可以保证标签与锚点原点无连接的单向的通信网络即可。

可以参考AODV的树状网络拓扑结构的建立过程，并简化路由节点的算法优化路由线路构建流程。锚点负责建立维护通信网络，标签触发数据通信过程，标签属于网络的临时节点，每次发送消息都需要搜索网络节点，成功后发送测量消息。

路由协议说明：

参考树形拓扑图的特点，对每个节点的路由功能定义如下：

1）节点需维护自身层数，父节点地址，子节点地址。

2）节点可以把子节点传来的数据转发给父节点。

3）节点可以把父节点传来的数据（广播数据）转发给所有子节点。

4）节点与父节点断开时，需通知所有子节点。

5）父节点为锚点原点或锚点原点的子节点。

6）根据层数选择最优父节点。

给予此些定义实现网络拓扑的构建，维护和通信功能。

Ø 网络拓扑构建过程

在所有锚点已经安装完成并已经选定锚点原点后按如下流程构建网络拓扑：

1）父节点监听父节点查询消息广播，锚点原点为第一个父节点

2）没有父节点的锚点（自由节点）广播父节点查询消息并携带自身地址

3）父节点监听到父节点查询消息广播后，向查询节点发送自身地址和层数信息。

4）子节点根据接收到的层数信息决定父节点，记录父节点地址并向父节点发送子节点添加信息。

Ø 网络拓扑构建维护过程

在网络拓扑建立后，当有锚点损坏，移动，添加，移除时的网络维护。

1）锚点原点定时广播你好消息。

2）子节点定时向父节点发送我还在消息。

3）当父节点接收我还在消息超时后，删除子节点地址。

4）当子节点接收你好消息超时后或收到变成自由节点消失时，向所有子节点发送变成自由节点消息，且自身变成自由节点，执行自由节点寻找父节点流程。

5）新节点为自由节点。

Ø 数据通信过程

网络中的所有数据通信的方向都是子节点向父节点通信，节点收到数据后转发给他的父亲。

1）所有节点监听数据上报请求消息。

2）节点将收到的数据上报消息传递给父节点。

3）数据上报请求消息由标签产生。

Ø 所有消息格式定义

可参考AODV协议。

标签位置信息检测

问题描述和解决办法

根据位置测量原理可知，计算标签位置信息依赖于标签与锚点的距离和锚点自身的位置信息。考虑到实际测量的误差和计算结果的精度问题，标签应尽可能多的把他与周边锚点的距离信息上报。此问题的难点是锚点位置的确定，即如果定位网络中的锚点位置。目前想到的办法有如下几个，但各有优缺点：

方案1：手动测量每一个锚点的位置信息。这个方案的优点是误差可控，缺点是当锚点增加或者室内环境复杂时，导致测量工作量骤增。

方案2：先手动测量几个特定锚点的位置信息，然后基于已知锚点位置信息和距离，估测其他锚点信息。优点是测量速度快，缺点是测量误差不可控。

距离测试和数据上报流程

标签与锚点距离的数据信息是通过数据上报请求消息通过通信网络最终发送给锚点原点，上位机与锚点原点连接，这样就能根据上报的数据信息，计算出标签的位置信息。具体流程如下：

1）标签定时与他周围所有的锚点执行测距流程。

2）标签在测量结果中挑选距离它最近的锚点，将测量数据封装到数据上报请求消息并发给它。

标签移动时的测量

问题描述和解决办法

当标签移动时会导致与他测距的锚点的变化，可是只要保证定它定时向周围锚点测距，并由上位机来决定如何使用这些测量结果时，问题就简单了。标签只需要关心距离它最近的锚点的地址就可以了，此问题可以通过定时测距解决。

有效检测和利用率

问题描述和解决办法

在待监测区域确定的情况下，如何确定锚点的分布情况同样是一个问题。为了提高检测的精度和减少测试盲点，当然需要添加更多的锚点，可以这样会导正通信网络的负责化，并且增加通信的转发次数。如果锚点布置的过于稀疏又会导致测量数据过少导致位置估算又偏差，甚至出现检测盲点。暂时也没有比较好的办法解决此问题，能想到的办法也就是先少量不锚点，然后根据实际的测试效果添加锚点。