基于RSSI的優(yōu)化加權(quán)質(zhì)心定位算法研究

摘要：節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。質(zhì)心定位算法是指節(jié)點(diǎn)依靠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行定位，定位誤差較大。為了提高定位精度，鑒于質(zhì)心定位算法受環(huán)境影響較小，基于RSSI的定位技術(shù)使用方便的特點(diǎn)，文中提出了基于RSSI的一種優(yōu)化加權(quán)質(zhì)心定位算法。通過(guò)RSSI測(cè)距，結(jié)合優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心定位算法，確定節(jié)點(diǎn)位置。仿真結(jié)果表明，該算法降低了定位的平均誤差，可以提高定位精度。
關(guān)鍵詞：RSSI；加權(quán)質(zhì)心；定位；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)中，節(jié)點(diǎn)定位是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求。定位業(yè)務(wù)受到廣泛關(guān)注，對(duì)于軍用、民用、礦井以及火災(zāi)救援的WSN來(lái)說(shuō)，估計(jì)用戶的準(zhǔn)確位置則顯得至關(guān)重要。至今，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位已經(jīng)成了一個(gè)很重要的研究方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制可分為基于距離(Range-Based)和距離無(wú)關(guān)(Range-Free)的兩類定位算法，基于距離的定位算法通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法等計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置，主要有RSSI、TOA、TDOA、AOA等。距離無(wú)關(guān)的定位算法是依靠網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息進(jìn)行定位，不需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離或角度信息，主要有質(zhì)心算法、DV-hop算法、凸規(guī)劃、Amorphous算法、APIT等。基于測(cè)距的定位算法與無(wú)需測(cè)距的定位算法相比雖然有著成本較高、能耗較高、計(jì)算量和通信量較大的不足，但是前者的定位精度一般都要比后者高?？梢韵嘈?，隨著技術(shù)進(jìn)步，更精確、能耗更小的測(cè)距技術(shù)的出現(xiàn)，以及對(duì)定位精度的更高要求，基于測(cè)距的定位算法將在節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中獲得更好的發(fā)展空間。

1 RSSI測(cè)距模型
    信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)衰減，這種損耗與信號(hào)的傳播路徑有關(guān)。RSSI測(cè)距，就是利用此相關(guān)性測(cè)出接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)間的距離。RSSI測(cè)距使用的無(wú)線信號(hào)模型包括理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br />     經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊恍﹨?shù)取值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，模型比較簡(jiǎn)單，精度不是很高，易用于大致估計(jì)。
    理論模型主要有自由空間傳播模型、對(duì)數(shù)一路徑損耗模型、兩徑傳播模型、對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型等。無(wú)線信號(hào)傳播路徑損耗對(duì)RSSI測(cè)量精度有很大影響，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，使得無(wú)線信號(hào)傳播模型十分復(fù)雜。通常采用對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型，即：
   
    P(d)為基站接收到盲節(jié)點(diǎn)在距離基站d處發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度；P(d0)是基站接收到錨節(jié)點(diǎn)在距離基站處發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度；d0為近地參考距離，一般為1 m；n為路徑損耗指數(shù)，依賴周圍環(huán)境，范圍在2～4之間；Xσ是標(biāo)準(zhǔn)差為σ的零均值的高斯分布隨機(jī)變量。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)得的RSSI值越大，距離越近，對(duì)節(jié)點(diǎn)定位具有更大的決定權(quán)。

2 優(yōu)化的加權(quán)質(zhì)心算法
    質(zhì)心算法是通過(guò)未知節(jié)點(diǎn)接收所有在其通信范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息，并將這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置來(lái)定位。由于質(zhì)心算法并沒(méi)有反應(yīng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的影響大小，所以在原有質(zhì)心算法的基礎(chǔ)上，提出了加權(quán)質(zhì)心算法。加權(quán)質(zhì)心算法，通過(guò)加權(quán)因子來(lái)反映參考節(jié)點(diǎn)對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)決定權(quán)的大小，利用加權(quán)因子體現(xiàn)各參考節(jié)點(diǎn)對(duì)質(zhì)心位置的影響程度，反映他們的內(nèi)在關(guān)系。已知有3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，A、B、C，如圖1所示。

    坐標(biāo)分別為(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)，假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)D坐標(biāo)為(xd，yd)，通過(guò)RSSI測(cè)距測(cè)得與盲節(jié)點(diǎn)之間的距離分別為da、db、dc，則肓節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為


3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析
    使用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后算法的性能。在65m×65m的區(qū)域內(nèi)，布置3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為(10，20 m)，(35，50 m)，(50，10 m)。隨機(jī)選取的點(diǎn)也就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。
    使用加權(quán)質(zhì)心定位算法和優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心定位算法對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，分別運(yùn)算10次，各自得到10個(gè)估計(jì)位置，如圖2所示。

    將上述各自得到的10個(gè)估計(jì)位置(xn，yn)(n=1，2，…，10)分別與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(x0，y0)=(31，27 m)進(jìn)行比較，根據(jù)式(6)得到誤差e。


的平均誤差為1．137 8 m，優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心算法的平均誤差降低了約46％。經(jīng)優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心算法定位精度有所提高。

4 結(jié)論
    綜上所述，文中主要對(duì)基于RSSI的定位技術(shù)進(jìn)行了研究，在原有的加權(quán)質(zhì)心定位算法的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化加權(quán)因子的方法，對(duì)加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化，得出優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心定位算法。該算法不需增加額外的設(shè)備，通過(guò)對(duì)性能仿真和分析結(jié)果表明，該優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心算法在一定程度上提高了定位精度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。