基于RSSI測(cè)距信號(hào)衰減因子的WSN定位算法研究

作者 張春炯1 陳立萬(wàn)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(xiàng)目：國(guó)家自然基金(編號(hào)：61402063);中國(guó)博士后科學(xué)基金(編號(hào)：160560);重慶三峽學(xué)院研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《基于多細(xì)胞生物免疫機(jī)理的WSN節(jié)點(diǎn)協(xié)同信息處理研究》

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

摘要：在無(wú)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(cè)距精度在很大程度上決定了定位精度。傳統(tǒng)的RSSI測(cè)距法存在路徑損失模型復(fù)雜、環(huán)境變化引起信號(hào)嚴(yán)重震蕩而產(chǎn)生測(cè)距誤差等不足。針對(duì)以上問題，本文提出利用錨節(jié)點(diǎn)測(cè)距信號(hào)衰減因子的RSSI測(cè)距法，該測(cè)距法無(wú)需建立路徑損失模型，同時(shí)，信號(hào)衰減因子與RSSI測(cè)距有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，減少了因其他因素引起的信號(hào)強(qiáng)度值震蕩而帶來(lái)的測(cè)距誤差，具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。

引言

　　無(wú)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(diǎn)部署的無(wú)線檢測(cè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)^[1]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際工程應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)需要提供自身的位置信息及檢測(cè)信息，才能提供有效的監(jiān)測(cè)服務(wù)^[2-3]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)的定位、跟蹤和軌跡預(yù)測(cè)都需要節(jié)點(diǎn)的位置信息^[4]。

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

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

1 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間測(cè)距精度決定定位的精度，介紹分析以下幾種常見的測(cè)距法。

　　到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival,TOA)測(cè)距法^[6]是一種基于方向鏈路的定位方法，通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)間來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的位置。但它對(duì)所有節(jié)點(diǎn)相同的誤差沒有進(jìn)行處理，誤差較大。

　　到達(dá)時(shí)間差(Time Different of Arrival,TDOA)測(cè)距法^[3]是另一種基于反向鏈路的定位方法，通過檢測(cè)不同信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的位置。但由于節(jié)點(diǎn)功率控制會(huì)造成相鄰節(jié)點(diǎn)接收到的功率小，因此會(huì)導(dǎo)致比較大的測(cè)量誤差。

　　到達(dá)角(Angle of arrival,AOA)定位法^[4]由兩個(gè)或更多錨節(jié)點(diǎn)通過測(cè)量接收信號(hào)的到達(dá)角來(lái)估計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)定位角度的微小偏差會(huì)導(dǎo)致測(cè)位線距離的較大誤差。

　　接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)測(cè)距法^[5,6]通過接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率，計(jì)算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)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(hào)易受多徑衰落、非視距等環(huán)境影響導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度值嚴(yán)重震蕩，難以準(zhǔn)確測(cè)距。

1.2 影響定位精度的主要因素

　　由于無(wú)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(hào)測(cè)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(cè)距法

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

2.1 RSSI測(cè)距原理

　　RSSI的定位算法中，傳播信號(hào)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(diǎn)的發(fā)射信號(hào)在傳播過程中，隨著距離的增加，由于信號(hào)被反射、吸收使節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的功率密度減少，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，建立路徑損失模型將傳輸損耗量轉(zhuǎn)化為對(duì)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(diǎn)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(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)。

　　由(1)式可得：

(2)

　　由此，接收信號(hào)功率變化與發(fā)射節(jié)點(diǎn)及接收節(jié)點(diǎn)距離的平方成反比，通過測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度利用式(2)可計(jì)算出發(fā)射與接收兩節(jié)點(diǎn)間的距離。

2.2 RSSI測(cè)距法優(yōu)缺點(diǎn)及誤差分析

　　但RSSI測(cè)距法在實(shí)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(chǎng)合的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)環(huán)境因素改變時(shí)，信號(hào)衰減速度也會(huì)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(cè)距信號(hào)的RSSI測(cè)距法

3.1 改進(jìn)思路

　　對(duì)于RSSI測(cè)距法中信號(hào)傳播路徑損失，提出利用錨節(jié)點(diǎn)測(cè)距信號(hào)衰減因子進(jìn)行改進(jìn)。其基本思路是借助兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳播損耗計(jì)算出信號(hào)衰減因子，再將信號(hào)衰減因子用于已知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的測(cè)距中，計(jì)算距離。

　　測(cè)距布局思路如圖1所示，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已知兩節(jié)點(diǎn)位置信息，N2為所需求的節(jié)點(diǎn)。N₀和N₂為相同環(huán)境下，兩節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行通信，由已知節(jié)點(diǎn)N₀到N₂的位置信息，測(cè)出N0到N2的距離，確定節(jié)點(diǎn)N2的定位信息。利用錨節(jié)點(diǎn)測(cè)距信號(hào)衰減因子的思想，若在節(jié)點(diǎn)N₀的通信范圍內(nèi)存在一錨節(jié)點(diǎn)N₁，則N₀、N₁、N₂為鄰居節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)N₀通信小范圍內(nèi)存在環(huán)境噪聲系數(shù)引起信號(hào)無(wú)規(guī)律的衰減時(shí)，環(huán)境噪聲系數(shù)對(duì)于N₀到N₂與N₀到N₁之間的信號(hào)通信質(zhì)量的影響是一樣的。同狀態(tài)下，信號(hào)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(diǎn)N1和N₀得出同狀態(tài)下信號(hào)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(jì)算N₀到N₂的距離。在此改進(jìn)思路上結(jié)合信號(hào)隨距離增加而衰減變快的情況，推導(dǎo)出信號(hào)衰減因子。

　　在基于RSSI測(cè)距法的定位過程中，均需在未知節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)有至少三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)其定位，因此當(dāng)計(jì)算衰減因子時(shí)即可利用這些錨節(jié)點(diǎn)，不需額外增加節(jié)點(diǎn)。

3.2 信號(hào)隨機(jī)衰減系數(shù)

　　在相同環(huán)境下有兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)N₀、N₁和一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)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(hào)強(qiáng)度為P_N0，傳輸?shù)絅₁時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度降為P_N1;從N₀ 傳輸?shù)絅₂時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度降為P_N2。需測(cè)N₀到N₂的距離d(其示意圖如圖2所示)。

　　推導(dǎo)如下：

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

　　可見，基于錨節(jié)點(diǎn)輔助測(cè)距信號(hào)隨機(jī)衰減系數(shù)的RSSI測(cè)距法利用錨節(jié)點(diǎn)輔助定位。該測(cè)距法無(wú)需建立復(fù)雜的路徑損失模型，而利用錨節(jié)點(diǎn)輔助信號(hào)衰減因子用于測(cè)距。

4 算法仿真分析

　　為了檢驗(yàn)基于錨節(jié)點(diǎn)輔助信號(hào)的RSSI測(cè)距算法的性能，在NS2平臺(tái)上對(duì)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(hào)衰減因子，它是由兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)N₀、N₁求得，環(huán)境變化時(shí)，n隨之變化。

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

　　現(xiàn)給定一組值：，當(dāng)時(shí)，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(hào)衰減因子法所得的節(jié)點(diǎn)N2的接收信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系，信號(hào)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(hào)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(cè)距精度。本文提出了利用錨節(jié)點(diǎn)測(cè)距信號(hào)衰減因子的思想和方法，并闡述其測(cè)距原理，推導(dǎo)出信號(hào)衰減因子。與傳統(tǒng)的RSSI測(cè)距法相比，該測(cè)距法無(wú)需建立復(fù)雜的路徑損失模型，而是計(jì)算同時(shí)刻的信號(hào)衰減因子用于測(cè)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(hào)強(qiáng)度震蕩帶來(lái)的測(cè)距誤差，提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中RSSI定位精度。

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