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基于RSSI技術(shù)的三角形質(zhì)心算法的建模與仿真研究

牽手一起夢 ? 來源:現(xiàn)代電子技術(shù) ? 作者:林瑋,陳傳峰 ? 2020-04-19 09:50 ? 次閱讀

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向事件的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),對于大多數(shù)應(yīng)用,不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。實(shí)時地確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一,也是提供監(jiān)測事件位置信息的前提,所以定位技術(shù)對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,按節(jié)點(diǎn)位置估測機(jī)制,根據(jù)定位過程中是否測量節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或角度,可分為基于距離(Range—based)的定位算法和距離無關(guān)(Range—free)的定位算法。前者需要測量節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離;后者是利用節(jié)點(diǎn)間的估計距離來計算末知節(jié)點(diǎn)的位置。在基于距離的定位算法中,測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時采用的方法有TOA(Time of Arrival),TDOA(Time Difference of Arrival),RSSI(ReceivedSignal Strength Indication)和AOA(Angle of Arri—val)。距離無關(guān)的算法主要有質(zhì)心算法、DV—hop算法等。相比之下,基于距離的定位算法測量精度較高,距離無關(guān)的定位算法對硬件要求較低。

比較各種基于距離的測距算法,TOA需要精確的時鐘同步,TDOA需要節(jié)點(diǎn)配備超聲波收發(fā)裝置,AOA需要有天線陣列或麥克風(fēng)陣列,這三種算法對硬件要求較高。RSSI技術(shù)主要是用RF信號,而節(jié)點(diǎn)本身就具有無線通信能力,故其是一種低功耗、廉價的測距技術(shù)。

接收信號強(qiáng)度指示RSSI的定位方法,是在已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度,根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)收到的信號強(qiáng)度,計算出信號的傳播損耗,再利用理論和經(jīng)驗?zāi)P蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離,最后計算節(jié)點(diǎn)的位置。因為理論和經(jīng)驗?zāi)P偷墓罍y性質(zhì),故而RSSI具有較大定位誤差。

基于RSSI技術(shù),提出一種將RSSI測量方法與三角形質(zhì)心算法相結(jié)合的新型定位算法,該算法用三角形質(zhì)心算法減小RSSI的測量誤差。仿真表明,該算法基于RSSI的三邊測量法定位算法相比,極大提高了定位精度。

1、 國內(nèi)外相關(guān)研究

當(dāng)無線信號在大氣環(huán)境中傳播時,由于多種因素影響,信號強(qiáng)度會隨著其傳播距離的增加而衰減。這表明,信號強(qiáng)度變化與傳播距離間存在著某種函數(shù)關(guān)系,且通常情況下傳感節(jié)點(diǎn)均可很容易配置測定接收信號強(qiáng)度的模塊。所以,近年來研究人員開始將RSSI技術(shù)用于傳感器節(jié)點(diǎn)定位中。

目前,對RSSI的研究主要有兩個方面。一是,提高改良傳輸損耗模型,建立更符合實(shí)際環(huán)境的數(shù)學(xué)模型;二是,結(jié)合各種測量算法,減小傳輸損耗模型帶來的誤差。這里研究重點(diǎn)在第二個方面。

最早的研究人員使用RSSI加三邊測量法的定位技術(shù),如文獻(xiàn)中的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)。

文獻(xiàn)的作者提出采用交疊環(huán)定位的方式,利用包含未知節(jié)點(diǎn)的相互交疊的環(huán)形區(qū)域來定位未知節(jié)點(diǎn)。該方法只是比較相應(yīng)RSSI的大小,并未利用它測距。文獻(xiàn)提出一種加權(quán)質(zhì)心定位算法,它提出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)影響力的概念,節(jié)點(diǎn)到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越小,影響力越大。影響力越大的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)位置有更大的決定權(quán)。其采用優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的方式,根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對未知節(jié)點(diǎn)的不同影響力確定加權(quán)因子,以此來提高定位精度。

文獻(xiàn)提出綜合RSSI算法和切圓圓心法的RCM算法,提高了定位精度,仿真表明,在RSSI測距誤差散布達(dá)到50%時,定位誤差可降到10%以內(nèi)。

2 、基于RSSI的三角形質(zhì)心算法模型

與文獻(xiàn)一樣,該算法針對大規(guī)模隨機(jī)散布野外應(yīng)用環(huán)境,這類應(yīng)用大都不需要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確定位,只需要知道節(jié)點(diǎn)的大概區(qū)域就可滿足需求,同時要求硬件成本低、定位過程通信開銷小、節(jié)能。

2.1 基于RSSI的定位

RSSI測量,一般利用信號傳播的經(jīng)驗?zāi)P团c理論模型。

對于經(jīng)驗?zāi)P?,在?shí)際定位前,先選取若干測試點(diǎn),記錄在這些點(diǎn)各基站收到的信號強(qiáng)度,建立各個點(diǎn)上的位置和信號強(qiáng)度關(guān)系的離線數(shù)據(jù)庫(x,y,ss1,ss2,ss3)。在實(shí)際定位時,根據(jù)測得的信號強(qiáng)度(ss1′,ss2′,ss3′)和數(shù)據(jù)庫中記錄的信號強(qiáng)度進(jìn)行比較,信號強(qiáng)度均方差最小的那個點(diǎn)的坐標(biāo)作為節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

對于理論模型,常采用無線電傳播路徑損耗模型進(jìn)行分析。常用的傳播路徑損耗模型有:自由空間傳播模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、哈它模型、對數(shù)一常態(tài)分布模型等。自由空間無線電傳播路徑損耗模型為:

式中,d為距信源的距離,單位為km;f為頻率,單位為MHz;k為路徑衰減因子。其他的模型模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,但與現(xiàn)實(shí)環(huán)境還是有一定的差距。比如對數(shù)一常態(tài)分布模型,其路徑損耗的計算公式為:

式中,Xσ是平均值為O的高斯分布隨機(jī)變數(shù),其標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4~10;k的范圍在2~5之間。取d=1,代入式(1)可得,LOSS,即PL(d0)的值。此時各未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)信號時的信號強(qiáng)度為:

RSSI=發(fā)射功率+天線增益一路徑損耗(PL(d))

2.2 基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法的數(shù)學(xué)模型

不論哪種模型,計算出的接收信號強(qiáng)度總與實(shí)際情況下有誤差,因為實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性,換算出的錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離d總是大于實(shí)際兩節(jié)點(diǎn)間的距離。如圖1所示,錨節(jié)點(diǎn)A,B,C,未知節(jié)點(diǎn)D,根據(jù)RSSI模型計算出的節(jié)點(diǎn)A和D的距離為rA;節(jié)點(diǎn)B和D的距離為rB;節(jié)點(diǎn)C和D的距離為rC。分別以A,B,C為圓心;rA,rB,rC為半徑畫圓,可得交疊區(qū)域。這里的三角形質(zhì)心定位算法的基本思想是:計算三圓交疊區(qū)域的3個特征點(diǎn)的坐標(biāo),以這三個點(diǎn)為三角形的頂點(diǎn),未知點(diǎn)即為三角形質(zhì)心,如圖2所示,特征點(diǎn)為E,F(xiàn),G,特征點(diǎn)E點(diǎn)的計算方法為:

同理,可計算出F,G,此時未知點(diǎn)的坐標(biāo)為

由仿真得,在圖2中,實(shí)際點(diǎn)為D;三角形質(zhì)心算法出的估計點(diǎn)為M;三邊測量法算出的估計點(diǎn)為N??芍?,三角形質(zhì)心算法的準(zhǔn)確度更高。

3、 基于RSSI的三角形質(zhì)心算法過程

3.1 步驟

(1)錨節(jié)點(diǎn)周期性向周圍廣播信息,信息中包括自身節(jié)點(diǎn)ID及坐標(biāo)。普通節(jié)點(diǎn)收到該信息后,對同一錨節(jié)點(diǎn)的RSSI取均值。

(2)當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)收集到一定數(shù)量的錨節(jié)點(diǎn)信息時,不再接收新信息。普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)RSSI從強(qiáng)到弱對錨節(jié)點(diǎn)排序,并建立RSSI值與節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)距離的映射。建立3個集合。

錨節(jié)點(diǎn)集合:

(3)選取RSSI值大的前幾個錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自身定位計算。

在B_set:中優(yōu)先選擇RSSI值大的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合成下面的錨節(jié)點(diǎn)集合,這是提高定位精度的關(guān)鍵。

對錨節(jié)點(diǎn)集合,依次根據(jù)(3)式算出3個交點(diǎn)的坐標(biāo),最后由質(zhì)心算法,得出未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

(4)對求出的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)集合取平均,得未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 誤差定義

定義定位誤差為ER,假設(shè)得到的未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(xm,ym),其真實(shí)位置為(x,y),則定位誤差ER為:

4、 仿 真

利用Matlab仿真工具模擬三角形質(zhì)心算法,考察該算法的性能。假設(shè)在100 m×100 m的正方形區(qū)域內(nèi),36個錨節(jié)點(diǎn)均勻分布,未知節(jié)點(diǎn)70個,分別用三邊測量法和三角形質(zhì)心定位算法進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,三角形質(zhì)心算法比三邊測量法,定位精度更高,當(dāng)測距誤差變大時,用三角形質(zhì)心算法得出的平均定位誤差比用三邊測量法得出的小得多。

5、 結(jié) 語

在此提出了將RSSI方法和三角形質(zhì)心定位算法相結(jié)合的方法,通過仿真實(shí)驗,將該算法和三邊測量算法相比較,證明了該算法的優(yōu)越性。下一步將研究在錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同時的平均定位誤差。

責(zé)任編輯:gt

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