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在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，群組的概念用于描述一個組中的成員是如何相互作用的。群組中的各個成員需要知道相互間的相對位置。已經(jīng)有公司在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中增加了位置意識，以便群組成員可以測量彼此之間的距離，并能夠使用這個信息作出決策。通信和位置意識一起正在催生一種全新的地理位置應(yīng)用。 群組平臺技術(shù) 低功耗群組電臺即獨立的2.4GHz線性調(diào)頻擴展頻譜無線節(jié)點，是基本的群組構(gòu)建模塊(見圖1)。它們能夠廣播和交換消息，同時監(jiān)視到群組中其它成員的距離，這是實現(xiàn)協(xié)調(diào)的群組行為的關(guān)鍵功能。無線群組中的每個成員都包含有一個群組電臺，并通過其應(yīng)用編程接口(API)接受主機的控制。有多個種類的API命令(見圖2)。 
圖1：Nanotron公司推出的迷你型群組電臺。
圖2：Nanotron公司的群組API命令總覽。 舉例來說，RangeTo 命令可以返回到其它節(jié)點的距離。位置感知的質(zhì)量取決于兩個基本參數(shù)：精度和時延。精度是測量距離與實際距離之差，通常可以被表征為一個固定的偏移和結(jié)果的擴展，如圖3所示。時延規(guī)定了獲得測距結(jié)果所需的時間，它對應(yīng)用的實時特性有很大的影響。短消息和快速響應(yīng)有助于最大限度地減小時延，進而實現(xiàn)最大的吞吐量。典型的群組電臺要求1.8ms的空中時間用于執(zhí)行一個SDS-TWR循環(huán)——Nanotron公司獲得專利的對稱性雙邊雙向測距。廣播它的ID只需要350ms。
圖3：測距精度被表征為偏移量和結(jié)果的擴展。實際距離分別是50、100和150米。 群組電臺的最大可用距離決定了群組中的成員距離多遠仍能夠相互作用。最大距離很大程度上取決于應(yīng)用環(huán)境。 在理想的視距條件下，距離可能超過500米。然而，由于障礙、反射、來自其它無線電信號的干擾、天線未對準等原因，實際可用距離要短得多。
圖4：在配備有一臺迷你型群組電臺的行人與安裝在客車儀表板上的另一臺群組電臺之間測得的距離。 圖4顯示了一個實際應(yīng)用例子，其中一個群組電臺在汽車里面，另一個由人攜帶。通過在汽車外部配置天線或者將天線安裝在頭盔上而不是腰帶上可以有效擴展距離。 碰撞避免解決方案(CAS) 在采礦應(yīng)用中經(jīng)常需要自動碰撞避免功能。為了防止發(fā)生事故，只要車輛離人、財產(chǎn)或其它車輛太近都要求可靠地發(fā)出告警聲。群組地理位置技術(shù)非常適合用來實現(xiàn)這種碰撞避免解決方案(CAS)。 由車輛、財產(chǎn)和人組成的簡化結(jié)構(gòu)(總共三種節(jié)點類型)被用來描述這種應(yīng)用的基本概要。在最壞的情況下兩個對象以最大速度向彼此移動，見表1。系統(tǒng)的反應(yīng)時間要快過兩個對象沿最短路徑碰撞方向穿過各自安全區(qū)所需的時間。
在我們這個例子中，最短時間是2.2秒。因此CAS系統(tǒng)的時延必須盡可能短，整組節(jié)點需要在不到2.2秒的時間內(nèi)完成完整的位置感知循環(huán)。為了可靠的工作，我們可以決定加快這個順序，以便在這個時間間隔內(nèi)執(zhí)行多次。
圖5：碰撞避免應(yīng)用流程圖。 圖5顯示了位置感知循環(huán)的步驟，以及群組電臺是如何支持的： 獲得ID(4)：第一步，群組電臺通過廣播自己的ID使自己可見。比如SetBroadcastIntervall=01命令將閃爍間隔設(shè)為1秒。在通過SetBroadcastNodeID=1命令激活廣播之后，群組電臺就每隔1秒廣播一次自己的ID。接收到的其它參與者的節(jié)點ID被自動存儲在NodeID清單中。主機應(yīng)用可以使用GetNodeIDList命令讀取這份NodeID清單。這樣鄰居就能被CAS應(yīng)用識別了。 到ID的距離(5)：第二步是群組電臺測量到所有鄰居的距離，這可以通過隨后執(zhí)行RangeTo命令來完成。最終距離值被傳送回主機應(yīng)用。 評估距離(6)：第三步，CAS應(yīng)用需要確定任何測得的距離是否違反了安全區(qū)要求，如果違反了就需要采取相應(yīng)的措施。此時可能馬上調(diào)用簡單的聲音告警，或踩下卡車的剎車以防止即將發(fā)生的碰撞。 作為CAS應(yīng)用設(shè)計的一部分，現(xiàn)在可以估計執(zhí)行一個位置感知循環(huán)所需的時間并在需要時觸發(fā)告警。在我們的例子中整個過程不超過30ms；因此上述時間約束很容易得到滿足。 所有群組電臺都共享相同的空中接口。CAS應(yīng)用以完全異步的方式工作，因此可能會發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突。用多個位置感知循環(huán)而不是一個可以提高成功的概率。與此同時，通過空中接口的業(yè)務(wù)不得超過通道容量。廣播節(jié)點ID和完整的測距過程一起共花大約2.2ms的空中時間。對CAS應(yīng)用來說這個時間只是2.2秒循環(huán)時間的0.1%。根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)該使用不超過17%的可用空中時間才能在成功率與吞吐量之間取得良好的平衡。當通過增加更多群組電臺擴展應(yīng)用時這點很重要。 在實際的群組應(yīng)用中，安全區(qū)可以設(shè)計為動態(tài)適應(yīng)移動對象的實際速度和潛在碰撞方向最新測得的距離。這樣可以最大限度地減少總的告警數(shù)量，而且在通道飽和發(fā)生之前系統(tǒng)中可以使用的群組電臺數(shù)量可以做到最大化。Nanotron公司的群組平臺非常適合用于快速構(gòu)建地理位置應(yīng)用。 群組電臺具有位置感知，因為它們能夠測量相互間的距離并交換結(jié)果。距離、測距精度、時延和吞吐量對基于群平臺的地理位置應(yīng)用來說是很重要的設(shè)計參數(shù)。 作者介紹： Gunter Fischer博士是現(xiàn)場應(yīng)用工程經(jīng)理，負責Nanotron公司群組業(yè)務(wù)的應(yīng)用支持。可以通過電子郵件地址g.fischer@nanotron.com與他取得聯(lián)系。 Thomas Forste博士是Nanotron Technologies公司銷售與營銷副總裁，他的電子郵件地址是：t.foerste@nanotron.com。 Frank Schlichting博士是Nanotron公司群組產(chǎn)品線的產(chǎn)品管理總監(jiān)。可以通過電子郵件地址：f.schlichting@nanotron.com與他取得聯(lián)系。 |
