Zigbee与CSS技术在定位应用上的一些比较
时间：10-02
整理：3721RD
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目前在市面上有多种定位系统，包括Zigbee、WiFi等，以及最新的CSS定位系统。从定位原理上分析，一般的定位系统都可以归纳到基于时间的系统、基于信号强度系统，而这两类系统都有着各自的共性。下面以这两种系统的典型代表 CSS系统（基于时间）和Zigbee系统（基于信号强度）进行比较，从而得出其是否适用的结论。
以下对比均设定CSS系统和Zigbee系统的射频功率为0dBm, 1mW。
一、 测量原理
从原理上说，任何定位系统首先需要获取邻节点之间的距离。CSS采用SDS-TW的测量方法，获取双向传输的时间，进而获取节点距离；Zigbee采用测算节点之间连接信号强度(RSSI)的方法，利用无线信号的空间传输衰减模型估算出节点间传输距离。
图1 CSS基于SDS-TW算法距离测量原理
图2 Zigbee基于RSSI信号传输衰减模型的测量原理
从上述图1可以看出，CSS进行了精确的双向到达时间测量以及内部反应时间测量。由于采用了高质量的时钟电路，精确度可以达到1ns, 因而实际测量精确度可以达到1m以下。
图2显示了Zigbee进行RSSI测量估算的原理。这种测量是区域性的，和节点前端的低噪音处理电路有很大关系。空间自由传输模型的RSSI衰减估算公式如下：
Loss=32.44+10klgd+10klgf
其中，d为节点距离（单位为km），f为频率，单位为MHz；k为路径衰减因子。在实际应用环境中，由于多径、绕射、障碍物等因素，无线电传播路径损耗与理论值相比有较大变化。而由于在不同的空间环境中，上述干扰因素是不确定的，K因子具有较大的不确定性。有研究人员对环境干扰进行进一步的处理，期望获取更接近于实际空间传输特性的模型，如用对数-常态分布模型。进一步用对数-常态分布模型绘制RSSI曲线图观察，发现有如下的明显结论：
1． 节点到信号源的距离越近，由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；
2． 而当距离大于80 m时，由于环境随机数Xσ的影响，由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大；
图3 RSSI衰减模型（接收强度-接收距离）
因此有如下结论：
1． CSS由于基于时间系统，在测量精度1ns的情况下，无线电检测精度将达到0.3米，而实际使用中，由于前端多路径到达波检测、时间偏差等原因影响，误差可以控制在0.6-1.5米；在测量距离上，0dBm时可以达到100m，且只要信号到达，就可以利用信号测距；
2． RSSI由于采用信号衰减进行测量，理论测量的精确距离范围在80米以内，80米以外甚至将无法获得粗略的距离信息；在实际使用中，由于环境等因素的影响，达到3米精度左右精确测量的最大范围将在15-30米。
3． 从测量原理上分析，基于信号强度的系统将不能支持长距离测量，最大的问题在于，当环境变化而K因子变化较大时，原先建立起来的估算模型将不能胜任，而必须重新进行系统的校正，也就是环境适应性差，这在实际的应用中是不可接受的。
二、 测量精度
在实际的野外应用中，精度的要求并没有室内定位系统高。假设实际的需求是5米，那么CSS系统肯定可以满足需求，根据图3的衰减模型（虚线），Zigbee系统在30米以内能够进行大约5米级的距离分辨，80米以内能够进行10米级的分辨，而80米以外对信号波动已经无法识别。实际应用中这些值将都有所降低。
0 dBm CSS系统 通讯距离100米 有效测量范围100米
0 dBm Zigbee系统 通讯距离100米 有效测量范围30米
三、 测量范围
CSS系统：测量范围将达到节点双向通讯所覆盖的范围，也就是说只要节点之间能够通讯，系统就能够进行实际的距离测量，因此采用功率放大器后，800-2000米的应用不会存在问题，其测量特性也不会因为增加功率放大器这一环节而有所变化；
Zigbee系统：出于分辨率的考虑，0dBm理想最大测量距离在80米，实际测量距离将在30米以下。这将使得普通的传感器网络应用，所部署的点十分密集。如果大范围应用，只能利用其他的概率估算方法进行粗略定位，而此时的误差将可能达到网络覆盖半径的30%。
如果采用功率放大器，测量范围将进一步扩展，但是仍然存在的问题如下：
1． 功率放大器的差异性将影响测量距离，需要用户进行逐一校准；
2． 根据衰减曲线，在通讯距离末端的30%范围内，将仍然因为RSSI的波动而难以识别。
以下对比均设定CSS系统和Zigbee系统的射频功率为0dBm, 1mW。
一、 测量原理
从原理上说，任何定位系统首先需要获取邻节点之间的距离。CSS采用SDS-TW的测量方法，获取双向传输的时间，进而获取节点距离；Zigbee采用测算节点之间连接信号强度(RSSI)的方法，利用无线信号的空间传输衰减模型估算出节点间传输距离。
图1 CSS基于SDS-TW算法距离测量原理
图2 Zigbee基于RSSI信号传输衰减模型的测量原理
从上述图1可以看出，CSS进行了精确的双向到达时间测量以及内部反应时间测量。由于采用了高质量的时钟电路，精确度可以达到1ns, 因而实际测量精确度可以达到1m以下。
图2显示了Zigbee进行RSSI测量估算的原理。这种测量是区域性的，和节点前端的低噪音处理电路有很大关系。空间自由传输模型的RSSI衰减估算公式如下：
Loss=32.44+10klgd+10klgf
其中，d为节点距离（单位为km），f为频率，单位为MHz；k为路径衰减因子。在实际应用环境中，由于多径、绕射、障碍物等因素，无线电传播路径损耗与理论值相比有较大变化。而由于在不同的空间环境中，上述干扰因素是不确定的，K因子具有较大的不确定性。有研究人员对环境干扰进行进一步的处理，期望获取更接近于实际空间传输特性的模型，如用对数-常态分布模型。进一步用对数-常态分布模型绘制RSSI曲线图观察，发现有如下的明显结论：
1． 节点到信号源的距离越近，由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；
2． 而当距离大于80 m时，由于环境随机数Xσ的影响，由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大；
图3 RSSI衰减模型（接收强度-接收距离）
因此有如下结论：
1． CSS由于基于时间系统，在测量精度1ns的情况下，无线电检测精度将达到0.3米，而实际使用中，由于前端多路径到达波检测、时间偏差等原因影响，误差可以控制在0.6-1.5米；在测量距离上，0dBm时可以达到100m，且只要信号到达，就可以利用信号测距；
2． RSSI由于采用信号衰减进行测量，理论测量的精确距离范围在80米以内，80米以外甚至将无法获得粗略的距离信息；在实际使用中，由于环境等因素的影响，达到3米精度左右精确测量的最大范围将在15-30米。
3． 从测量原理上分析，基于信号强度的系统将不能支持长距离测量，最大的问题在于，当环境变化而K因子变化较大时，原先建立起来的估算模型将不能胜任，而必须重新进行系统的校正，也就是环境适应性差，这在实际的应用中是不可接受的。
二、 测量精度
在实际的野外应用中，精度的要求并没有室内定位系统高。假设实际的需求是5米，那么CSS系统肯定可以满足需求，根据图3的衰减模型（虚线），Zigbee系统在30米以内能够进行大约5米级的距离分辨，80米以内能够进行10米级的分辨，而80米以外对信号波动已经无法识别。实际应用中这些值将都有所降低。
0 dBm CSS系统 通讯距离100米 有效测量范围100米
0 dBm Zigbee系统 通讯距离100米 有效测量范围30米
三、 测量范围
CSS系统：测量范围将达到节点双向通讯所覆盖的范围，也就是说只要节点之间能够通讯，系统就能够进行实际的距离测量，因此采用功率放大器后，800-2000米的应用不会存在问题，其测量特性也不会因为增加功率放大器这一环节而有所变化；
Zigbee系统：出于分辨率的考虑，0dBm理想最大测量距离在80米，实际测量距离将在30米以下。这将使得普通的传感器网络应用，所部署的点十分密集。如果大范围应用，只能利用其他的概率估算方法进行粗略定位，而此时的误差将可能达到网络覆盖半径的30%。
如果采用功率放大器，测量范围将进一步扩展，但是仍然存在的问题如下：
1． 功率放大器的差异性将影响测量距离，需要用户进行逐一校准；
2． 根据衰减曲线，在通讯距离末端的30%范围内，将仍然因为RSSI的波动而难以识别。