一種改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位方法

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1、一種改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位方法潘小琴1　崔文婷2　劉理想2　戈婧佼2（1.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽621010；2.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班，四川綿陽621010)【摘　要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位準(zhǔn)確性問題一直是研究熱點(diǎn)。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、固定遮擋物以及走動(dòng)人員均會(huì)造成信號(hào)衰減，若使用傳統(tǒng)的RSSI定位算法其誤差太大無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。在不增加硬件開銷的基礎(chǔ)上，提出一種可以提高定位精度的改進(jìn)定位算法。該算法首先通過離未知節(jié)點(diǎn)最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)劃分三角形子區(qū)域，再根據(jù)RSSI值估算出該區(qū)域內(nèi)路徑損耗模型的參數(shù)A、n，并進(jìn)一步通過錨節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作

2、，得到測(cè)距誤差模型參數(shù)k、Δ，最終計(jì)算出精確的位置信息。仿真結(jié)果顯示：在相同的條件下，改進(jìn)后的算法具有更高的定位精度，誤差在1m以內(nèi)，可以滿足室內(nèi)定位的要求。.jyqk；d0為參考距離；PL0表示參考距離為d0的路徑傳輸損耗；n是路徑損耗指數(shù)，表征路徑損耗隨距離增加而增大的快慢程度，與環(huán)境有關(guān)；S是均值為0的高斯噪聲，其標(biāo)準(zhǔn)差Sσ隨節(jié)點(diǎn)布置環(huán)境的不同而不同；接收節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度為：ＲＳＳＩ＝Ｐt－ＰＬ（d）（2）其中，Pt表示信號(hào)的發(fā)射功率，單位為dBm。參考距離通常取1m，即d0=1，令A(yù)=Pt-PL0，對(duì)多次測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI取平均值，此時(shí)S均值為0，故上式化簡為：由上式

3、可以看出，距離d受RSSI值和環(huán)境參數(shù)A、n的影響。文獻(xiàn)[4]從噪聲和干擾著手，對(duì)RSSI值進(jìn)行濾波、篩選處理，這些方法雖然可以提高測(cè)距精度，卻帶來了大量的通信和計(jì)算開銷。文獻(xiàn)[5]從環(huán)境因素著手提出精確估計(jì)出定位區(qū)域內(nèi)的A和n。然而A、n是與射頻電路和無線信號(hào)傳輸環(huán)境密切相關(guān)的，隨著定位節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，n是時(shí)變的。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示：由于多徑、反射、障礙物阻擋等因素的影響，相同距離對(duì)應(yīng)的RSSI相差很大，也就是不同環(huán)境對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)A、n是不同的，路徑損耗模型參數(shù)隨著環(huán)境的改變而改變。２.2　算法的改進(jìn)為了減小定位誤差，又不增加通信和計(jì)算開銷，從環(huán)境因素著手，提出一種簡單有效的改進(jìn)算法。算法

4、先將定位區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域，再利用多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)協(xié)作通信，動(dòng)態(tài)估計(jì)A、n在該子區(qū)域內(nèi)的較為精確的值[6]，并且進(jìn)一步推導(dǎo)出測(cè)量距離與實(shí)際距離之間的誤差模型，以此誤差模型來對(duì)測(cè)試距離進(jìn)行修正，最后通過定位算法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。２.2.1　劃分子區(qū)域的路徑損耗模型參數(shù)估計(jì)基本思想如圖1所示，X為未知節(jié)點(diǎn)，假設(shè)A、B、C、X兩兩之間能夠互相通信，且A、B、C、為距離X最近的三個(gè)不共線錨節(jié)點(diǎn)。我們假設(shè)△ABC所在區(qū)域是一個(gè)比較小的范圍，可以近似認(rèn)為在這一區(qū)域內(nèi)路徑損耗模型參數(shù)A、n是相同的，因此，我們可以利用錨節(jié)點(diǎn)來估計(jì)出所需要的A、n。２.2.2　測(cè)距誤差模型修正由于公式（8）唯一確定A、n，

5、數(shù)據(jù)具有偶然性，為了進(jìn)一步提高定位精度，利用三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信息對(duì)測(cè)距階段的距離測(cè)量值進(jìn)行修正。假設(shè)影響錨節(jié)點(diǎn)A、B、C與未知節(jié)點(diǎn)X通信過程中的測(cè)距誤差和A、B、C互相通信過程中的誤差情況相同，設(shè)實(shí)際距離與測(cè)量距離滿足下列線性方程關(guān)系[7]：dij是節(jié)點(diǎn)i到它鄰居節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際距離，rij是節(jié)點(diǎn)i到它鄰居節(jié)點(diǎn)j的測(cè)量距離，△ij是節(jié)點(diǎn)i和j之間測(cè)距的隨機(jī)誤差。依照公式（9）列出A、B、C之間的測(cè)距誤差關(guān)系式為：已知根據(jù)RSSI值和環(huán)境參數(shù)A、n可以得到rAC、rBC、rAB，根據(jù)A、B、C的坐標(biāo)可以計(jì)算出dAC、dBC、dAB，利用最小二乘法[8]，計(jì)算出相應(yīng)的k與△，從而得到測(cè)距誤差模型，用此

6、模型來修正未知節(jié)點(diǎn)X與錨節(jié)點(diǎn)A、B、C之間的距離。２.2.3　定位流程改進(jìn)算法的定位流程如下所示。1）未知節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)出自身信息和定位請(qǐng)求，比較錨節(jié)點(diǎn)返回的信號(hào)強(qiáng)度值，選取最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)參與定位；2）選定錨節(jié)點(diǎn)，根據(jù)公式（4）計(jì)算各錨節(jié)點(diǎn)的A、n；根據(jù)公式（8）計(jì)算出△ABC區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)A、n；3）使用步驟2）得到的參數(shù)計(jì)算出A、B、C的測(cè)量距離rAB、rBC、rAC；由ABC的坐標(biāo)值計(jì)算出dAC、dBC、dAB；4）使用最小二乘法，根據(jù)公式（10）計(jì)算出測(cè)距誤差模型參數(shù)k與△；5）未知節(jié)點(diǎn)周期性的向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身位置信息，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量距離rAX、rBX、rCX，用

7、測(cè)量誤差模型對(duì)距離進(jìn)行修正，得到實(shí)際距離dAX、dBX、dCX；6）最后，利用三邊定位算法，估算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息。３　仿真結(jié)果分析通過MATLAB仿真，分析比較路徑損耗模型參數(shù)采用典型值的算法與本文所提出的改進(jìn)型算法的定位性能。假設(shè)在100m?鄢１００m的矩形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布200個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑為20m，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自100次仿真實(shí)驗(yàn)的平均值。圖2給出了兩種算法的定位誤差與錨節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著錨節(jié)點(diǎn)所占比例上升，兩種算