基于rssi測(cè)距的改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法

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基于RSSI測(cè)距的改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法*王振朝1,2，張琦1，張峰1（1.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定071002；2.河北大學(xué)河北省數(shù)字醫(yī)療工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071002）摘要：基于RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication）的三角形加權(quán)質(zhì)心定位算法在測(cè)距和定位中存在較大誤差，針對(duì)這一缺點(diǎn)提出一種改進(jìn)的加權(quán)算法。在該算法中采用節(jié)點(diǎn)距離倒數(shù)之和代替距離和的倒數(shù)作為權(quán)值，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離給出加權(quán)因子作為修正，以充分利用節(jié)點(diǎn)信息。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性，與原有定位算法比較其定位精度得到提升，最高可達(dá)50%。關(guān)鍵詞：定位；RSSI；加權(quán)；修正系數(shù)中圖分類(lèi)號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-1390(2014)21-0000-00ImprovedWeightedCentroidPositioningAlgorithmbasedonRSSIRangingAnimprovementfortheLocalizationAlgorithmBasedonRSSITriangleCentroidWANGZhen-chao1,2,ZHANGQi1,ZHANGFeng1(1.CollegeofElectronicandInformationEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002,China.2.KeyLaboratoryofDigitalMedicalEngineeringofHebeiProvince,HebeiUniversity,Baoding071002,Hebei,China)Abstract：AimingattheerrorexistinginTtriangularweightedcentroidlocalizationpositioningalgorithmbasedonRSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)ranging,existssomeerrorindistancemeasuringandpositioning.Aimingtoovercometheshortcomings,animprovedmodifiedweightedalgorithmisputforwardinthispaper.ThesumofreciprocalofdistancebetweennodesinsteadofInsteadofthereciprocalofsumofdistancebetweentwonodes,thesumofreciprocalofdistancehasbeenusedhasbeentakenastheweightedvalue.Tomakefulluseofthenodeinformation,thealgorithmhasbeencorrectedaccordingtotheweightedfactors.Thesimulationresultsverifytheeffectivenessoftheproposedalgorithmandshowthattheimprovedweightedcentroidlocalizationpositioningalgorithmcanprovideanadditionalmaximumprecisiongainof50%.Keywords:positioning,RSSI,weighted,modifiedcoefficient0引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1-2]是面向應(yīng)用的，貼近客觀世界的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在大多數(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確知道節(jié)點(diǎn)的方位是至關(guān)重要的。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位機(jī)制中，需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位時(shí)經(jīng)常采用的方法主要有TOA(TimeofArrival)，TDOA（TimeDifferenceofArrival），RSSI和AOA（AngleofArrival）等。但TOA需要精確的時(shí)鐘同步，TDOA同樣需要比較準(zhǔn)確的時(shí)鐘，AOA需要專(zhuān)門(mén)的天線陣列來(lái)測(cè)量特定信號(hào)的來(lái)源方向，而RSSI測(cè)距是一種廉價(jià)的測(cè)距技術(shù)，不需要額外的硬件支持，RADAR[3]是一個(gè)經(jīng)典的基于RSSI的室內(nèi)定位系統(tǒng),基于RSSI的定位算法[4-5]是目前研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)文獻(xiàn)[5]中提出的基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)加權(quán)質(zhì)心定位算法進(jìn)行了研究，對(duì)其算法進(jìn)*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61074175:61203160）；河北省自然科學(xué)基金(F2014201168)行了分析和討論，并且在此基礎(chǔ)上提出了更為合理的加權(quán)方法，使得定位更加精確。1算法模型1.1無(wú)線信號(hào)傳播模型無(wú)線信號(hào)常用的傳播路徑損耗模型有:自由空間傳播模型，對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，Hata模型，對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型等[5]。在這些理論模型中最常用的是對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型：假設(shè)節(jié)點(diǎn)A發(fā)射信號(hào)到節(jié)點(diǎn)B，損耗的功率為 PAB，傳播的距離為dAB，則路徑損耗計(jì)算公式如下：（1）整理可得：（2）式中Pt是節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)發(fā)射功率，Px是節(jié)點(diǎn)B接收到的信號(hào)功率。是平均xσ值為0的高斯分布隨機(jī)變數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4～10；系數(shù)k根據(jù)傳輸位置的不同取值也不一樣，其范圍在2～5之間；d0典型取值為1m。考慮RSSI理想模型，k=2，忽略xσ的影響，代入上式，整理(2)式可得：（3）同時(shí)可以得到，B接收A信號(hào)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為：RSSI=發(fā)射功率+天線增益-路徑損耗（PAB）在實(shí)際的應(yīng)用中，可以通過(guò)多次測(cè)量得到接收功率的平均值來(lái)有效的降低RSSI的系統(tǒng)誤差。1.2三角形加權(quán)質(zhì)心定位算法基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法是將RSSI測(cè)量與三角形質(zhì)心定位法相結(jié)合的新型定位算法。該算法是利用各個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)接收到的每個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出各條路徑的信號(hào)傳播損耗。在眾多路徑中選取其中三個(gè)信號(hào)傳播損耗較小的，利用理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5-6]將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，分別以傳輸距離為半徑，已知節(jié)點(diǎn)為圓心畫(huà)圓，如圖1所示，計(jì)算出三個(gè)圓的交點(diǎn)坐標(biāo)，以這三個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)能夠組成一個(gè)三角形，三角形的質(zhì)心坐標(biāo)即為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[6]。但是以上定位算法并沒(méi)有考慮未知節(jié)點(diǎn)與已知節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近對(duì)定位的影響，而將三個(gè)參與定位的節(jié)點(diǎn)的作用等同，造成較大的定位誤差。文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)的定位算法，為參與定位的節(jié)點(diǎn)增加了權(quán)值，以體現(xiàn)不同頂點(diǎn)的貢獻(xiàn)值。根據(jù)對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型繪制的RSSI曲線分析圖[5]可知，已知節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離越近，由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差越小。因此，距離越近的節(jié)點(diǎn)權(quán)重越大，距離遠(yuǎn)近與權(quán)重大小呈反比的關(guān)系[7]。而三角形的每個(gè)頂點(diǎn)由兩個(gè)距離確定，故權(quán)值選擇為（假設(shè)圓A與圓B相交，圓心距交點(diǎn)的距離分別為dA和dB，如圖1），故將算法的公式修正為：（4）圖1加權(quán)質(zhì)心算法原理圖Fig.1Schematicoftriangularweightedcentroidlocalizationpositioningalgorithm2改進(jìn)的三角形加權(quán)質(zhì)心定位算法上述的加權(quán)算法雖然考慮到了距離的不同對(duì)定位造成的不同影響，提出加權(quán)因子，進(jìn)而提高了定位精度，然而在權(quán)值[8]的選擇上依然存在一些不合理的地方。兩個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的半徑和的倒數(shù)這個(gè)因子的選取，使得dA和dB成為決定未知節(jié)點(diǎn)位置的關(guān)鍵。然而dA和dB中數(shù)值較大的一個(gè)會(huì)在這個(gè)因子中起到更大的作用，使得較小的數(shù)值對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)所發(fā)揮的作用弱化，造成定位誤差。在本論文的算法中，對(duì)權(quán)值的選擇上進(jìn)行了修正。首先是改變權(quán)重中dA和dB地位上的主導(dǎo)關(guān)系，將變?yōu)?，充分利用了?jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的信息；其次為了進(jìn)一步改善權(quán)值的決定權(quán)，防止修正過(guò)度，采取增加冪值的方法：這個(gè)修正方法起到了避免次要數(shù)據(jù)起主要作用的情況發(fā)生，并且可以有效地防止修正過(guò)度。例如，dA>dB時(shí)，與dA 相關(guān)的已知節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的距離更遠(yuǎn)，在公式中應(yīng)該起次要作用，而對(duì)于修正前的系數(shù)來(lái)說(shuō)，dA卻起到了主要作用，淹沒(méi)了應(yīng)該起主要作用的dB。而本文給出的修正系數(shù)可以使較小的數(shù)起主要作用，即距離未知節(jié)點(diǎn)較近的已知節(jié)點(diǎn)有較大權(quán)重，并通過(guò)調(diào)整n、m的值調(diào)整修正的程度。修正程度n、m的研究較為繁瑣，由于n、m是與距離dA、dB有關(guān)的兩個(gè)變量，（1）式中參數(shù)的變化會(huì)影響dA、dB與n、m的取值，所以如果直接研究dA、dB與n、m關(guān)系會(huì)比較復(fù)雜。為了計(jì)算方便同時(shí)提高定位精度，這里采用比值的方法，利用兩者的比值作為dB的冪值?？紤]到應(yīng)用實(shí)際，我們這里主要討論已知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的距離都大于1的情況。在dA和dB都大于1的條件下，假設(shè)n=1，。例如當(dāng)dA>dB時(shí)，m>1，這時(shí)因子的存在使得在系數(shù)中原本起主要作用的dB所起作用稍微弱化，以防止過(guò)度修正，這樣可以進(jìn)一步充分利用數(shù)據(jù)信息。修正以后的算法公式為：（5）3改進(jìn)后的定位算法實(shí)現(xiàn)步驟改進(jìn)后的三角形質(zhì)心算法定位的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：(1)將已知節(jié)點(diǎn)命名為錨節(jié)點(diǎn)[9-10]，錨節(jié)點(diǎn)周期性地向周?chē)鷱V播信息，信息中包括自身節(jié)點(diǎn)ID號(hào)及其坐標(biāo)。(2)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信息，只記錄同一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值，當(dāng)接收到一定數(shù)量的RSSI值后，對(duì)多個(gè)RSSI數(shù)據(jù)取均值，作為接收到的這個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值；(3)當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)收到一定數(shù)量的錨節(jié)點(diǎn)信息后，停止接收信息，將RSSI從強(qiáng)到弱對(duì)錨節(jié)點(diǎn)排序，建立2個(gè)集合。錨節(jié)點(diǎn)集合：錨節(jié)點(diǎn)依據(jù)RSSI從大到小排列的集合：(4)選取RSSI值大的前三個(gè)并利用理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑵滢D(zhuǎn)化為錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，即：。(5)利用本文的算法，能夠得出未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置(xh,yh)。(6)定義定位誤差為Er，其真實(shí)位置為(x0,y0)，則定位誤差Er為：4仿真利用Matlab對(duì)算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該算法的有效性，并與加權(quán)的三角形質(zhì)心定位算法進(jìn)行對(duì)比。假設(shè)在100m×100m的正方形區(qū)域內(nèi)，均勻地放置錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量分別為25、36、64、81，節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射程距離相同，通信半徑為30m，且為圓形區(qū)域，能夠保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以正常接收RSSI信息，然后在該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，試驗(yàn)進(jìn)行100次，得到定位誤差數(shù)據(jù)如下所示：表1兩種算法的誤差對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.1Datacontrastofthetwoalgorithms 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量/個(gè)加權(quán)的三角形質(zhì)心算法(誤差/m)改進(jìn)的加權(quán)三角形質(zhì)心算法（誤差/m）誤差下降比例（%）253.42.429362.91.838641.10.645810.80.450圖2兩種算法的誤差分析對(duì)比Fig.2Erroranalysiscontrastofthetwoalgorithms從表1以及圖2中可以看出：本文提出的改進(jìn)后的三角形加權(quán)質(zhì)心定位算法對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)的定位精度較文獻(xiàn)[5]中的算法有了較大程度的提高；隨著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，定位精度也隨之提高，這是因?yàn)楫?dāng)未知節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，利用RSSI測(cè)距技術(shù)定位會(huì)存在較大的干擾，造成定位有較大的誤差。本文的算法是在RSSI的基礎(chǔ)上對(duì)三角形質(zhì)心定位算法的改進(jìn)，故修正的精度會(huì)跟錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有一定的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，定位的精度也越高。5結(jié)束語(yǔ)基于RSSI測(cè)距的三角形加權(quán)質(zhì)心算法在實(shí)際的定位應(yīng)用中誤差較大，這是由于在權(quán)值的選擇上存在一些問(wèn)題。本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上采用測(cè)試距離倒數(shù)之和代替距離和的倒數(shù)作為權(quán)值，同時(shí)根據(jù)測(cè)試距離給出了修正因子，這樣可以防止修正過(guò)度和信息淹沒(méi)，以提高定位精度。在相同條件下，仿真效果明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[5]中的三角形加權(quán)質(zhì)心算法，定位精度最高可提高50%。參考文獻(xiàn)[1]李曉維.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.[2]孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.[3]BahlP,PadmanabhanVN.RADAR:AnIn-buildingRF-basedUserLocationandTrackingSystem[C].//Proc.oftheIEEEINFOCOM2000,TelAviv:[s.n.].2000,2:775-784.[4]ALIREZAN,JACEKI.ATestbedforLocalizingWirelessLANDevicesUsingReceivedSignalStrength[C].//Proceedingsof6thAnnualCommunicationNetworksandServicesResearchConference(CNSR2008).Halifax,Canada,2008:481-487.[5]陳維克,李文鋒,首珩,等.基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,20(12):2695-2700.CHENWei-ke,LIWen-feng,SHOUHeng,etal.WeightedCentroidLocalizationAlgorithmBasedonRSSIforWirelessSensorNetworks[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2006,20(12):2695-2700.[6]林瑋,陳傳峰.基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)三角形質(zhì)心定位算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(2):180-182.LINWei,CHENChuan-feng.RSSI-basedTriangleandCentroidLocationinWirelessSensorNetwork[J].ModernElectronicsTechnique,2009,32(2):180-182.[7]劉運(yùn)杰,金明錄,崔承毅.基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)修正加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(5):716-721.LIUYun-jie,JINMing-lu,CUICheng-yi.ModifiedWeightedCentroidLocalizationAlgorithmBasedonRSSIforWSN[J].ChineseJournalofSensorsandActuators,2010,23(5):716-721.[8]朱博,陳曙.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位改進(jìn)算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(6):868-872.ZHUBo,CHENShu.AnImprovedCentroidLocalizationAlgorithmforWirelessSensorNetwork[J].ChineseJournalofSensorsandActuators,2010,23(6):868-872.[9]神顯豪,楊小平.基于RSSI的WSN節(jié)點(diǎn)改進(jìn)質(zhì)心定位算法[J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化),2010,26(11-1):213-214.SHENXian-hao,YANGXiao-ping.ImprovedRSSI-basedCentroidLocalizationAlgorithmforWirelessSensorNetworks[J].ControlandAutomationPublicationGroup.2010,26(11-1):213-214.[10]李娟,王珂,李莉.基于錨圓交點(diǎn)加權(quán)質(zhì)心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,39(6):1649-1653.LIJuan,WANGKe,LIli.WeightedCentroidLocalizationAlgorithmBasedonIntersectionofAnchorCircleforWirelessSensorNetwork[J].JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition),2009,39(6):1649-1653.作者簡(jiǎn)介: 王振朝（1958—），男，山東鄄城人，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，博士，主要從事工業(yè)數(shù)據(jù)通信及控制網(wǎng)絡(luò)，電力線載波通信技術(shù)及其應(yīng)用，電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)等研究方向。張琦(1986—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線自組網(wǎng)。張峰(1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線自組網(wǎng)。收稿日期：2012-09-12;修回日期：2012-09-12（田春雨編發(fā)）