基于RSSI測距信號衰減因子的WSN定位算法研究

作者 張春炯1 陳立萬1 楊震1 曹磊2 劉莎1 劉子路1 1.重慶三峽學(xué)院 電子信息與工程學(xué)院(重慶 404100)2.商丘學(xué)院 學(xué)生處(河南 商丘 476000)

*基金項目：國家自然基金(編號：61402063);中國博士后科學(xué)基金(編號：160560);重慶三峽學(xué)院研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目《基于多細(xì)胞生物免疫機(jī)理的WSN節(jié)點協(xié)同信息處理研究》

張春炯(1990-)，男，碩士，研究方向：無線傳感網(wǎng)絡(luò);陳立萬，男，教授，研究方向：信號與信息處理。

摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位技術(shù)是運(yùn)用廣泛的重要技術(shù)，在基于距離的定位技術(shù)中，測距精度在很大程度上決定了定位精度。傳統(tǒng)的RSSI測距法存在路徑損失模型復(fù)雜、環(huán)境變化引起信號嚴(yán)重震蕩而產(chǎn)生測距誤差等不足。針對以上問題，本文提出利用錨節(jié)點測距信號衰減因子的RSSI測距法，該測距法無需建立路徑損失模型，同時，信號衰減因子與RSSI測距有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，減少了因其他因素引起的信號強(qiáng)度值震蕩而帶來的測距誤差，具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。

引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是現(xiàn)代一種有大量微型傳感器節(jié)點部署的無線檢測區(qū)域網(wǎng)絡(luò)^[1]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際工程應(yīng)用中，節(jié)點需要提供自身的位置信息及檢測信息，才能提供有效的監(jiān)測服務(wù)^[2-3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)的定位、跟蹤和軌跡預(yù)測都需要節(jié)點的位置信息^[4]。

　　WSN的定位問題一般指對于一組未知位置信息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，依靠已知的錨節(jié)點的位置信息，通過測量未知節(jié)點至其余節(jié)點的距離或跳數(shù)，或者通過估計節(jié)點可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點間交換的信息和錨節(jié)點的已知位置，來確定每個節(jié)點的位置^[5]。

　　基于接收信號強(qiáng)度指示測距法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的測距方式是指，信號在傳播過程中遇到障礙物時會被反射、折射以及吸收，在障礙物周圍的信號存在較大的路徑損失，造成測距的不準(zhǔn)確性，最大測距誤差可達(dá)±50%^[2]。本文針對RSSI測距法中存在的不足，提出利用錨節(jié)點測距信號的RSSI測距法解決測距誤差。

1 節(jié)點定位技術(shù)基本理論

1.1 基于距離(Range-Based)的定位

　　在Range-Based的定位中，節(jié)點之間測距精度決定定位的精度，介紹分析以下幾種常見的測距法。

　　到達(dá)時間(Time of Arrival,TOA)測距法^[6]是一種基于方向鏈路的定位方法，通過測量節(jié)點信號到達(dá)多個信標(biāo)節(jié)點的傳播時間來確定節(jié)點的位置。但它對所有節(jié)點相同的誤差沒有進(jìn)行處理，誤差較大。

　　到達(dá)時間差(Time Different of Arrival,TDOA)測距法^[3]是另一種基于反向鏈路的定位方法，通過檢測不同信號到達(dá)的時間差來確定節(jié)點的位置。但由于節(jié)點功率控制會造成相鄰節(jié)點接收到的功率小，因此會導(dǎo)致比較大的測量誤差。

　　到達(dá)角(Angle of arrival,AOA)定位法^[4]由兩個或更多錨節(jié)點通過測量接收信號的到達(dá)角來估計節(jié)點的位置。而當(dāng)節(jié)點距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)時，節(jié)點定位角度的微小偏差會導(dǎo)致測位線距離的較大誤差。

　　接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)測距法^[5,6]通過接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號路徑損失模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。其不需添加任何額外硬件降低投入成本，但其路徑損失模型建立復(fù)雜，射頻信號易受多徑衰落、非視距等環(huán)境影響導(dǎo)致接收信號強(qiáng)度值嚴(yán)重震蕩，難以準(zhǔn)確測距。

1.2 影響定位精度的主要因素

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境復(fù)雜多變，因此，各種依賴于通信信號測量的定位技術(shù)都受到各種因素的影響，如多徑傳播問題及NLOS傳播。

2 RSSI測距法

　　RSSI測距法定位的算法中，用已知節(jié)點之間距離測量的準(zhǔn)確度來決定定位的精度。RSSI測距法的基本思想是：在傳播過程中由于信號的衰減，通過特定環(huán)境下的信號傳播路徑損失模型，運(yùn)用到所求信號傳播環(huán)境下，計算出信號衰減量對應(yīng)的節(jié)點之間信號的傳輸距離。

2.1 RSSI測距原理

　　RSSI的定位算法中，傳播信號在自由空間中傳播，其能量沒有介質(zhì)損耗，傳播路徑損耗是指自由空間中發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號在傳播過程中，隨著距離的增加，由于信號被反射、吸收使節(jié)點接收到信號的功率密度減少，計算出信號的傳播損耗，建立路徑損失模型將傳輸損耗量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)距離^[2-3,6]。路徑損失是距離的二次函數(shù)，表達(dá)式如下：

(1)

　　上式中P_t為節(jié)點發(fā)射功率，P_t(d)為接收功率;G_r、 G_t分別是發(fā)射天線和接收天線的增益;d是發(fā)射節(jié)點到接收節(jié)點的距離;n是取決于環(huán)境的平均路徑損耗指數(shù);λ是波長。

　　由(1)式可得：

(2)

　　由此，接收信號功率變化與發(fā)射節(jié)點及接收節(jié)點距離的平方成反比，通過測量接收信號的強(qiáng)度利用式(2)可計算出發(fā)射與接收兩節(jié)點間的距離。

2.2 RSSI測距法優(yōu)缺點及誤差分析

　　但RSSI測距法在實際使用中，由于環(huán)境因素易產(chǎn)生多徑傳播、反射、天線增益、非視距等現(xiàn)象，即使布置在固定場合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)環(huán)境因素改變時，信號衰減速度也會變化，造成相同距離產(chǎn)生不同環(huán)境平均路徑損耗指數(shù)的傳播損耗，所以RSSI的定位技術(shù)在基于距離的定位技術(shù)范疇中通常屬于粗略定位。

3 基于測距信號的RSSI測距法

3.1 改進(jìn)思路

　　對于RSSI測距法中信號傳播路徑損失，提出利用錨節(jié)點測距信號衰減因子進(jìn)行改進(jìn)。其基本思路是借助兩個錨節(jié)點間的信號傳播損耗計算出信號衰減因子，再將信號衰減因子用于已知節(jié)點與未知節(jié)點的測距中，計算距離。

　　測距布局思路如圖1所示，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已知兩節(jié)點位置信息，N2為所需求的節(jié)點。N₀和N₂為相同環(huán)境下，兩節(jié)點可進(jìn)行通信，由已知節(jié)點N₀到N₂的位置信息，測出N0到N2的距離，確定節(jié)點N2的定位信息。利用錨節(jié)點測距信號衰減因子的思想，若在節(jié)點N₀的通信范圍內(nèi)存在一錨節(jié)點N₁，則N₀、N₁、N₂為鄰居節(jié)點，在節(jié)點N₀通信小范圍內(nèi)存在環(huán)境噪聲系數(shù)引起信號無規(guī)律的衰減時，環(huán)境噪聲系數(shù)對于N₀到N₂與N₀到N₁之間的信號通信質(zhì)量的影響是一樣的。同狀態(tài)下，信號從N₀到N₂與從N₀到N₁的衰減規(guī)律一致。因此，通過錨節(jié)點N1和N₀得出同狀態(tài)下信號衰減速率與距離的數(shù)值關(guān)系，進(jìn)而通過該衰減因子計算N₀到N₂的距離。在此改進(jìn)思路上結(jié)合信號隨距離增加而衰減變快的情況，推導(dǎo)出信號衰減因子。

　　在基于RSSI測距法的定位過程中，均需在未知節(jié)點的通信范圍內(nèi)有至少三個錨節(jié)點對其定位，因此當(dāng)計算衰減因子時即可利用這些錨節(jié)點，不需額外增加節(jié)點。

3.2 信號隨機(jī)衰減系數(shù)

　　在相同環(huán)境下有兩個錨節(jié)點N₀、N₁和一個未知節(jié)點N₂，N₀與N₁和N₀與N₂均可相互通信。N₀、N₁間距為d₁，且已知N₀發(fā)出的信號強(qiáng)度為P_N0，傳輸?shù)絅₁時，信號強(qiáng)度降為P_N1;從N₀ 傳輸?shù)絅₂時，信號強(qiáng)度降為P_N2。需測N₀到N₂的距離d(其示意圖如圖2所示)。

　　推導(dǎo)如下：

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信號的能量損耗E與距離d的關(guān)系：

　　可見，基于錨節(jié)點輔助測距信號隨機(jī)衰減系數(shù)的RSSI測距法利用錨節(jié)點輔助定位。該測距法無需建立復(fù)雜的路徑損失模型，而利用錨節(jié)點輔助信號衰減因子用于測距。

4 算法仿真分析

　　為了檢驗基于錨節(jié)點輔助信號的RSSI測距算法的性能，在NS2平臺上對WSN算法運(yùn)用數(shù)據(jù)收集，利用仿真角度進(jìn)行算法的分析，即在P_N0、P_N1、d₁取一定值的情況下得出P_N2與d的關(guān)系。

　　算法，其中，即為信號衰減因子，它是由兩個錨節(jié)點N₀、N₁求得，環(huán)境變化時，n隨之變化。

　　圖3所示為在固定節(jié)點N₀和節(jié)點N₂時，不同的環(huán)境衰減因子對改進(jìn)RSSI曲線的影響示意圖?？梢钥闯觯h(huán)境衰減因子n對傳播模型影響很大，n值越小，其對應(yīng)的改進(jìn)RSSI曲線越平緩，節(jié)點信號衰減得越慢，節(jié)點N₂定位誤差越小。反之，n值越大，信號衰減得越快，定位誤差越大。

　　現(xiàn)給定一組值：，當(dāng)時，在Matlab2016a上經(jīng)過算法仿真分析，繪制出d與P_N2的關(guān)系圖，如圖4所示。

　　仿真圖中曲線顯示了利用信號衰減因子法所得的節(jié)點N2的接收信號強(qiáng)度與距離的關(guān)系，信號強(qiáng)度隨距離的增加而衰減變快，且衰減速度較均勻，未出現(xiàn)信號強(qiáng)度震蕩現(xiàn)象。

5 結(jié)論

　　在基于距離的定位技術(shù)中，定位精度取決于測距精度。本文提出了利用錨節(jié)點測距信號衰減因子的思想和方法，并闡述其測距原理，推導(dǎo)出信號衰減因子。與傳統(tǒng)的RSSI測距法相比，該測距法無需建立復(fù)雜的路徑損失模型，而是計算同時刻的信號衰減因子用于測距，衰減因子現(xiàn)求現(xiàn)用能有效減少因其他因素引起的信號強(qiáng)度震蕩帶來的測距誤差，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中RSSI定位精度。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第33頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。