基于RSSI測距的室內定位技術(shù)

摘要 搭建了基于ZigBee技術(shù)的室內定位實(shí)驗平臺，以實(shí)驗室樓道為室內場(chǎng)景進(jìn)行了接收信號強度(RSSI)測距和定位實(shí)驗研究。首先對測距實(shí)驗采集到的數據使用線(xiàn)性回歸分析擬合出當前環(huán)境的具體測距模型，并對信標和未知節點(diǎn)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現了基于RSSI的定位算法。經(jīng)過(guò)定位實(shí)驗精度評估，文中算法的平均定位誤差為2．3 m，滿(mǎn)足大多室內場(chǎng)景要求。
關(guān)鍵詞 室內定位；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；RSSI測距；線(xiàn)性回歸分析

隨著(zhù)現代通信、網(wǎng)絡(luò )、全球定位系統(Global PositionSystem，GPS)、普適計算、分布式信息處理等技術(shù)的迅速發(fā)展，位置感知計算和基于位置的服務(wù)(Location Based Setvices，LBS)在實(shí)際應用中越來(lái)越重要。GPS是目前應用最廣泛和成功的定位技術(shù)。由于微波易被濃密樹(shù)林、建筑物、金屬遮蓋物等吸收，因此GPS只適合在戶(hù)外使用，在室內場(chǎng)合，由于信道環(huán)境復雜、微波信號衰減厲害、測量誤差大，GPS并不適用。近年來(lái)基于低成本、低功耗、白組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)定位技術(shù)得到了科研人員的重視和研究，具有廣泛地應用前景。根據定位過(guò)程中是否實(shí)際測量節點(diǎn)間的距離，可將定位算法分為基于測距(Range-based)的定位和距離無(wú)關(guān)(range-free)的定位?；跍y距的定位先由未知節點(diǎn)硬件接收外部信標節點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線(xiàn)信號并記錄下TOA(Time of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、RSSI(Received Signal strength Indicator)等測距度量值，然后將測距度量值轉為未知節點(diǎn)到信標節點(diǎn)的距離或方位，然后再采用相關(guān)算法如三邊測量法、三角測量法、極大似然估計法等來(lái)計算未知節點(diǎn)的位置。由于RSSI檢測設備和機制簡(jiǎn)單，硬件成本低，實(shí)現簡(jiǎn)單，可通過(guò)多次測量平均獲得較準確的信號強度值，降低多徑和遮蔽效應影響，因此基于RSSI測距的定位技術(shù)成為近年來(lái)室內定位研究的熱點(diǎn)。

1 RSSI測距原理
無(wú)線(xiàn)信號傳輸中普遍采用的理論模型為漸變模型(Shadowing Model)。

式中，p(d)表示距離發(fā)射機為d時(shí)接收端接收到的信號強度，即RSSI值；p(d0)表示距離發(fā)射機為d0時(shí)接收端接收到的信號功率；d0為參考距離；n是路徑損耗(Pass Loss)指數，通常是由實(shí)際測量得到，障礙物越多，n值越大，從而接收到的平均能量下降的速度會(huì )隨著(zhù)距離的增加而變得越來(lái)越快：X是一個(gè)以dBm為單位，平均值為0的高斯隨機變量，反映了當距離一定時(shí)，接收到的能量的變化。
實(shí)際應用中一般采用簡(jiǎn)化的漸變模型

為便于表達和計算，通常取d0為1 m。于是可得
[p(d)]dBm=A-10nlg(d) (3)
把[p(d)dBm寫(xiě)成RSSI的形式得到
RSSI=A-10nlg(d) (4)
其中，A為無(wú)線(xiàn)收發(fā)節點(diǎn)相距1 m時(shí)接收節點(diǎn)接收到的無(wú)線(xiàn)信號強度RSSI值。式(4)就是RSSI測距的經(jīng)典模型，給出了RSSI和d的函數關(guān)系，所以已知接收機接收到的RSSI值就可以算出它和發(fā)射機之間的距離。A和n都是經(jīng)驗值，和具體使用的硬件節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)信號傳播的環(huán)境密切相關(guān)，因此在不同的實(shí)際環(huán)境下A和n參數不同，其測距模型不同。

2 RSSI測距定位算法
基于RSSI測距的定位算法流程如圖1所示。