基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)距離修正定位算法

摘 要：節(jié)點(diǎn)自身定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法包括基于距離和距離無關(guān)兩類。其中基于RSSI 的定位算法由于實(shí)現(xiàn)簡單而被廣泛使用，但RSSI 方法的測距誤差較大，從而影響了節(jié)點(diǎn)定位精度。提出了一種基于RSSI 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)距離修正定位算法。該算法通過RSSI 測距，計(jì)算近似質(zhì)心的位置，以此為參考點(diǎn)進(jìn)行距離修正，然后確定節(jié)點(diǎn)的位置。仿真結(jié)果表明該算法可以提高節(jié)點(diǎn)定位精度。

　　0 引言

　　對于大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，沒有位置信息的數(shù)據(jù)是毫無意義的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位跟蹤的前提是節(jié)點(diǎn)自身定位。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法可分為基于距離和距離無關(guān)兩大類，基于距離的定位算法主要有RSSI、TOA、TDOA、AOA 等，距離無關(guān)的定位算法主要有質(zhì)心算法、DV-hop 算法、凸規(guī)劃、MDS-MAP 等。

　　RSSI 測距無需額外硬件，實(shí)現(xiàn)簡單，具備低功耗、低成本等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。RSSI 的技術(shù)原理是已知錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號的強(qiáng)度，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度，利用信號傳播模型計(jì)算兩點(diǎn)的距離。由于存在多徑、干擾、遮擋等因素，RSSI 測距的精度較低，必須采用各種算法來減小測距誤差對定位精度的影響，因而提出了一種基于RSSI 測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)距離修正定位算法，可有效減小RSSI 測距誤差對節(jié)點(diǎn)定位精度的影響。

　　1 算法模型

　　1.1 無線信號傳播模型

　　RSSI 測距使用的無線信號傳播模型包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ?，理論模型是在大量?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉而成的。

　　對于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紫纫凑找欢ǖ拿芏冗x取參考點(diǎn)，建立信號強(qiáng)度與到某個信標(biāo)點(diǎn)距離的映射矩陣，在實(shí)際定位時根據(jù)測得的信號強(qiáng)度與映射矩陣進(jìn)行對比，并采用數(shù)學(xué)擬合方式確定待測節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離。

　　無線信號傳播理論模型主要有自由空間傳播模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、對數(shù)-常態(tài)分布模型等，其中對數(shù)-常態(tài)分布模型的使用最為廣泛。

　　對數(shù)-常態(tài)分布模型如式（1）所示：

　　其中n 是路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速率，范圍在2~6 之間。d0 為近地參考距離，由測試決定。式（1）能夠預(yù)測出當(dāng)距離為d 時接收到的平均能量。由于相同距離d 的情況下，不同位置的周圍環(huán)境差距非常大因而引入了Xσ，Xσ 是一個平均值為0 的高斯分布變量。

　　為了更好地描述距離修正定位算法，這里提出兩個合理的假設(shè)條件：

　?、儆捎诟鞣N障礙物的影響，絕大多數(shù)實(shí)際情況中，式（1）預(yù)測出的PL（d）[dB]比實(shí)際信號能量偏大；②當(dāng)距離d 增大時，PL（d）[dB]與實(shí)際損耗能量的相對偏差也會增大。

　　1.2 確定相交區(qū)域質(zhì)心的數(shù)學(xué)模型

　　已知三個節(jié)點(diǎn)A、B、C 的坐標(biāo)為（xa, ya）、（xb, yb）和（xc,yc），節(jié)點(diǎn)O到他們的距離為ra、rb 和rc，假設(shè)節(jié)點(diǎn)O的坐標(biāo)（xo, yo），則（xo, yo）的數(shù)值可通過式（2）得出，也就是說以A、B 和C 三點(diǎn)為圓心，以ra、rb 和rc 為半徑作圓，則三圓將相交與點(diǎn)O，如圖1（a）所示。

圖1 三圓相交情況。