基于RSSI的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )三角形質(zhì)心定位算法

摘 要：節點(diǎn)定位是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于RSSI的定位技術(shù)是現階段研究的熱點(diǎn)，為解決RSSI測量方法定位誤差較大的問(wèn)題，提出一種將RSSI測量方法與三角形質(zhì)心算法相結合的新型定位算法，該算法用三角形質(zhì)心算法減小RSSI的測量誤差。仿真表明該算法比基于RSSI的三邊測量法定位算法的定位精度有較大提高。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；定位算法；RSSI；質(zhì)心；三角形質(zhì)心定位算法

0 引 言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是面向事件的監測網(wǎng)絡(luò )，對于大多數應用，不知道傳感器位置而感知的數據是沒(méi)有意義的。實(shí)時(shí)地確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節點(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 )應用的有效性起著(zhù)關(guān)鍵的作用。
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，按節點(diǎn)位置估測機制，根據定位過(guò)程中是否測量節點(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(wú)關(guān)(Range―free)的定位算法。前者需要測量節點(diǎn)間的實(shí)際距離；后者是利用節點(diǎn)間的估計距離來(lái)計算末知節點(diǎn)的位置。在基于距離的定位算法中，測量節點(diǎn)間距離或方位時(shí)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(wú)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(wú)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(shí)鐘同步，TDOA需要節點(diǎn)配備超聲波收發(fā)裝置，AOA需要有天線(xiàn)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，而節點(diǎn)本身就具有無(wú)線(xiàn)通信能力，故其是一種低功耗、廉價(jià)的測距技術(shù)。
接收信號強度指示RSSI的定位方法，是在已知發(fā)射節點(diǎn)的發(fā)射信號強度，根據接收節點(diǎn)收到的信號強度，計算出信號的傳播損耗，再利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離，最后計算節點(diǎn)的位置。因為理論和經(jīng)驗模型的估測性質(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 國內外相關(guān)研究
當無(wú)線(xiàn)信號在大氣環(huán)境中傳播時(shí)，由于多種因素影響，信號強度會(huì )隨著(zhù)其傳播距離的增加而衰減。這表明，信號強度變化與傳播距離間存在著(zhù)某種函數關(guān)系，且通常情況下傳感節點(diǎn)均可很容易配置測定接收信號強度的模塊。所以，近年來(lái)研究人員開(kāi)始將RSSI技術(shù)用于傳感器節點(diǎn)定位中。
目前，對RSSI的研究主要有兩個(gè)方面。一是，提高改良傳輸損耗模型，建立更符合實(shí)際環(huán)境的數學(xué)模型；二是，結合各種測量算法，減小傳輸損耗模型帶來(lái)的誤差。這里研究重點(diǎn)在第二個(gè)方面。
最早的研究人員使用RSSI加三邊測量法的定位技術(shù)，如文獻中的RADAR室內定位系統。
文獻的作者提出采用交疊環(huán)定位的方式，利用包含未知節點(diǎn)的相互交疊的環(huán)形區域來(lái)定位未知節點(diǎn)。該方法只是比較相應RSSI的大小，并未利用它測距。文獻提出一種加權質(zhì)心定位算法，它提出信標節點(diǎn)影響力的概念，節點(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。影響力越大的信標節點(diǎn)對節點(diǎn)位置有更大的決定權。其采用優(yōu)選信標節點(diǎn)的方式，根據信標節點(diǎn)對未知節點(diǎn)的不同影響力確定加權因子，以此來(lái)提高定位精度。
文獻提出綜合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測距誤差散布達到50％時(shí)，定位誤差可降到10％以?xún)取?/p>

2 基于RSSI的三角形質(zhì)心算法模型
與文獻一樣，該算法針對大規模隨機散布野外應用環(huán)境，這類(lèi)應用大都不需要節點(diǎn)進(jìn)行精確定位，只需要知道節點(diǎn)的大概區域就可滿(mǎn)足需求，同時(shí)要求硬件成本低、定位過(guò)程通信開(kāi)銷(xiāo)小、節能。
2．1 基于RSSI的定位
RSSI測量，一般利用信號傳播的經(jīng)驗模型與理論模型。
對于經(jīng)驗模型，在實(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度，建立各個(gè)點(diǎn)上的位置和信號強度關(guān)系的離線(xiàn)數據庫(x，y，ss1，ss2，ss3)。在實(shí)際定位時(shí)，根據測得的信號強度(ss1′，ss2′，ss3′)和數據庫中記錄的信號強度進(jìn)行比較，信號強度均方差最小的那個(gè)點(diǎn)的坐標作為節點(diǎn)的坐標。
對于理論模型，常采用無(wú)線(xiàn)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、對數距離路徑損耗模型、哈它模型、對數一常態(tài)分布模型等。自由空間無(wú)線(xiàn)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。其他的模型模擬現實(shí)環(huán)境，但與現實(shí)環(huán)境還是有一定的差距。比如對數一常態(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的高斯分布隨機變數，其標準差范圍為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(shí)各未知節點(diǎn)接收錨節點(diǎn)信號時(shí)的信號強度為：

RSSI=發(fā)射功率+天線(xiàn)增益一路徑損耗(PL(d))
2．2 基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法的數學(xué)模型
不論哪種模型，計算出的接收信號強度總與實(shí)際情況下有誤差，因為實(shí)際環(huán)境的復雜性，換算出的錨節點(diǎn)到未知節點(diǎn)的距離d總是大于實(shí)際兩節點(diǎn)間的距離。如圖1所示，錨節點(diǎn)A，B，C，未知節點(diǎn)D，根據RSSI模型計算出的節點(diǎn)A和D的距離為rA；節點(diǎn)B和D的距離為rB；節點(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(huà)圓，可得交疊區域。這里的三角形質(zhì)心定位算法的基本思想是：計算三圓交疊區域的3個(gè)特征點(diǎn)的坐標，以這三個(gè)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，G，特征點(diǎn)E點(diǎn)的計算方法為：

同理，可計算出F，G，此時(shí)未知點(diǎn)的坐標為由仿真得，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)心算法的準確度更高。