CN101424737B - 一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对无线传感器网络的无需测距技术的信号图定位方法，该方法对于任意一个目标节点NT_p第一步利用平均值法建立信号空间模型，计算获得当前网络信号空间矩阵和物理位置信息矩阵；第二步根据信号强度平均值法计算目标节点NT_p的接收信号强度向量RSS_p ^NI；第三步利用补偿的K值近邻法选取目标节点NT_p的近邻参考位置点；第四步利用信号强度加权法计算目标节点NT_p的三维坐标

本发明方法直接利用信号强度作为参数进行定位；无需参数转换，消除了转换误差；并且降低了系统部署的复杂度；通过采用近邻选择及加权算法对采集的参数进行处理，降低了传感器节点差异及环境噪声等对定位精度带来的影响。

Description

一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法

技术领域

本发明涉及一种无需测距技术的信号图定位方法，特别涉及一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法。

背景技术

随着微机电系统(micro-electro-mechanism system，简称MEMS)、无线通信和数字电子技术的进步诞生了无线传感器网络(wireless sensor network，简称WSN)。对于大多数WSN应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。

WSN的自身定位技术主要分为基于测距技术(Range-Based)与无须测距技术(Range-Free)。其中Range-Based技术通过测量节点间点到点的距离或角度信息，使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位法计算节点位置；Range-Free技术则无须距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现。

基于Range-free技术的WSN定位方法主要分为：DV-Hop、凸规划和MDR-MAP等。Range-Free技术的特点为：普适性较好，不需要额外设备，但定位精度较差，锚节点密度较高。

基于Range-Based技术的WSN定位方法主要有：RSSI、TOA、TDOA和AOA。TOA(Time Of Arrival)、DOA(Time Difference On Arrival)、AOA(Angle OfArrival)等技术。基于Range-Based技术的定位方法大多需要额外硬件，使得系统成本增加。RSSI(Received Signal Strength Indicator)根据无线传感器节点间信号强度进行定位，不需要额外硬件，系统成本较低。

在RSSI定位技术中，信号图定位方法(Radio-Map)由于其低算法复杂度、不需要额外设备等特点备受关注。但是基本信号图定位方法也存在缺陷，主要表现为：离线阶段部署工作量大；采用无线信号传输模型导致其普适性较差，当环境发生改变时，需要重新初始化所有系统参数。

因此，本发明公开一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，不依赖于无线信号传输的具体模型，无需将信号强度信息转换成物理空间距离，所以，普适性更强。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，通过该方法，可以实现无需测距技术、只利用信号图和信号强度信息对无线传感器网络中的目标节点实现定位。

本发明的采用的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法分为两个阶段：

第一阶段为信号空间模型建立阶段，在传感器网络中布置一些已知位置的锚节点，根据传感器网络的实际情况选取一系列的参考位置点，记录下所有参考位置点的三维坐标，构成物理位置信息矩阵，并在各个参考位置点对所有锚节点进行多次信号强度采集，采用“平均值法”求出由各个锚节点信号强度构成的参考位置点信号强度向量，所有参考位置点的信号强度向量构成当前网络信号空间矩阵。

第二阶段为目标节点定位，当目标节点进入定位网络后，采用“平均值法”，对多次采集到的各个锚节点的信号强度取其平均值，减少由于环境等因素对于目标节点接收到的信号强度向量的影响，得到由各个锚节点信号强度平均值构成的目标节点的信号强度向量。接着利用补偿的K值近邻法选取目标节点的邻居参考位置节点，计算目标节点信号强度向量与所有参考位置点信号强度向量在各维(从各个锚节点接收到的信号强度)上信号强度差的平方并求出所有信号强度差平方的平均值，目标节点在获取各个锚节点信号强度的过程中置信大多数维度上的信号强度，将与信号强度平方的平均值相差最大的PBC(PBC的取值约为锚节点数量的1/4)个维度的值用上述平均值替换，利用上述计算得出的修正后的信号强度差的平方，通过公式计算各个参考位置点与目标节点的欧几里德距离，选取出所有计算出的欧几里德距离的最小值，如果最小值小于等于1，说明目标节点就在该参考位置点覆盖范围内，直接采用该参考点作为定位结果，否则将满足邻居参考位置点判别公式的参考位置点选入邻居参考位置点集合，计算各个邻居参考位置点对于目标节点的权重，通过权重和邻居参考位置点的三维坐标的计算，得出目标节点的三维坐标。

附图说明

图1是本发明基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法的结构框图。

图2是基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法的系统应用部署图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的采用的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法分为两个阶段：

第一阶段为信号空间模型建立阶段，在传感器网络中布置一些已知位置的锚节点，根据传感器网络的实际情况选取一系列的参考位置点，记录下所有参考位置点的三维坐标，构成物理位置信息矩阵，并在各个参考位置点对所有锚节点进行多次信号强度采集，采用“平均值法”求出由各个锚节点信号强度构成的参考位置点信号强度向量，所有参考位置点的信号强度向量构成当前网络信号空间矩阵。

第二阶段为目标节点定位，当目标节点进入定位网络后，采用“平均值法”，对多次采集到的各个锚节点的信号强度取其平均值，减少由于环境等因素对于目标节点接收到的信号强度向量的影响，得到由各个锚节点信号强度平均值构成的目标节点的信号强度向量。接着利用补偿的K值近邻法选取目标节点的邻居参考位置节点，计算目标节点信号强度向量与所有参考位置点信号强度向量在各维(从各个锚节点接收到的信号强度)上信号强度差的平方并求出所有信号强度差平方的平均值，目标节点在获取各个锚节点信号强度的过程中置信大多数维度上的信号强度，将与信号强度平方的平均值相差最大的PBC(PBC的取值约为锚节点数量的1/4)个维度的值用上述平均值替换，利用上述计算得出的修正后的信号强度差的平方，通过公式计算各个参考位置点与目标节点的欧几里德距离，选取出所有计算出的欧几里德距离的最小值，如果最小值小于等于1，说明目标节点就在该参考位置点覆盖范围内，直接采用该参考点作为定位结果，否则将满足邻居参考位置点判别公式的参考位置点选入邻居参考位置点集合，计算各个邻居参考位置点对于目标节点的权重，通过权重和邻居参考位置点的三维坐标的计算，得出目标节点的三维坐标。

在本发明中，所述的无线传感器网络由一些已知位置的节点(也称锚节点)和一些位置未知的节点(也称目标节点)所构成。利用信号图对目标节点定位，还会在传感网络区域中选择一系列的参考位置点。

网络中的目标节点集合为NT＝{NT₁，NT₂，...，NT_p}，其中，NT₁为传感器网络中第一个目标节点，NT₂为传感器网络中第二个目标节点，NT_p为传感器网络中第p个目标节点，也称为传感器网络中的任意一个目标节点。

如图2所示，共有2个目标节点NT₁和NT₂。

在无线传感器网络中，对于任意一个目标节点NT_p，采用如下步骤确定自身位置：

步骤1：利用平均值法建立信号空间模型，计算获得当前网络信号空间矩阵(简称网络信号空间矩阵)和物理位置信息矩阵(简称网络物理位置矩阵)；

步骤2：根据信号强度平均值法计算目标节点NT_p的接收信号强度向量RSS_p ^NT。

步骤3：利用补偿的K值近邻法选取目标节点NT_p的近邻参考位置点。

步骤4：利用信号强度加权法计算目标节点NT_p的三维坐标 $P{\mathrm{os}}_p^{\mathrm{NT}}=(x_p^{\mathrm{NT}},y_p^{\mathrm{NT}},z_p^{\mathrm{NT}}).$

在本发明的步骤1中，计算获得网络信号空间矩阵和物理位置矩阵的处理步骤为：

步骤101：布置定位网络区域，投放n个锚节点。锚节点集合为NA＝{NA₁，NA₂，...，NA_n}，其中，NA₁表示传感器网络中的第一个锚节点，NA₂表示传感器网络中的第二个锚节点，NA_n表示传感器网络中的第n个锚节点，也称为传感器网络中的任意一个锚节点。

如图2所示，有4个锚节点，NA＝{NA₁，NA₂，NA₃，NA₄}。

步骤102：在定位网络区域选取m个参考位置点，并记录每个参考位置点的三维物理坐标。参考位置点集合为RP＝{RP₁，RP₂，...，RP_m}，其中，RP₁为传感器网络中第一个参考位置点，RP₂为传感器网络中第二个参考位置点，RP_m表示传感器网络中的第m个参考位置点，也称为传感器网络中任意一个参考位置点。

任意参考位置点RP_m的三维坐标为Pos_m＝(x_m，y_m，z_m)，构建物理位置矩阵RPOS_m-3，即 ${\mathrm{RPOS}}_{m-3}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Pos}}_1\\ {\mathrm{Pos}}_2\\ \·\·\·\\ {\mathrm{Pos}}_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& z_2\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ x_m& y_m& z_m\end{array}\right],$ Pos₁表示参考位置点RP₁的位置坐标(x₁，y₁，z₁)，Pos₂表示参考位置点RP₂的位置坐标(x₂，y₂，z₂)，Pos_m表示参考位置点RP_m的位置坐标(x_m，y_m，z_m)，也称为任意参考位置点RP_m的位置坐标(x_m，y_m，z_m)。

如图2所示，有12个参考位置点RP＝{RP₁，RP₂，...，RP₁₂}。

记录这12个参考位置点的三维物理坐标为 ${\mathrm{RPOS}}_{12-3}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Pos}}_1\\ {\mathrm{Pos}}_2\\ \·\·\·\\ {\mathrm{Pos}}_{12}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& z_2\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ x_{12}& y_{12}& z_{12}\end{array}\right],$ Pos₁₂表示参考位置点RP₁₂的位置坐标(x₁₂，y₁₂，z₁₂)。

步骤103：在每一个参考位置点，测量并记录所有锚节点的信号强度，并进行k次重复测量。

对于任意一个参考位置点RP_m，测量任意锚节点NA_n的信号强度，每测量一次，就得到一个信号强度值，经过k次重复测量后，得到如下一个信号强度向量RSS^* _m-n＝(RSS_m-n ¹，RSS_m-n ²，...，RSS_m-n ^k)，简称参考位置点多次测量信号强度向量，其中RSS_m-n ¹表示在任意参考位置点RP_m对任意锚节点NA_n进行第一次测量所得到的信号强度，RSS_m-n ²表示在任意参考位置点RP_m对任意锚节点NA_n进行第二次测量所得到的信号强度，RSS_m-n ^k表示在任意参考位置点RP_m对任意锚节点NA_n进行第k次测量所得到的信号强度，也表示在任意参考位置点RP_m对任意锚节点NA_n进行任意一次测量所得到的信号强度，^*表示重复测量标识。

在本发明中，任意参考位置点RP_m，如果任意一次测量不能接收到锚节点NA_n的信号，则对应的信号强度值RSS_m-n ^k为0，即RSS_m-n ^k＝0

如图2所示，在12个参考位置点处，测量并记录4个锚节点的信号强度，重复测量k次。则得到：

RSS^* _1-1＝(RSS_1-1 ¹，RSS_1-1 ²，...，RSS_1-1 ^k)，

RSS^* _1-2＝(RSS_1-2 ¹，RSS_1-2 ²，...，RSS_1-2 ^k)，

RSS^* _1-3＝(RSS_1-3 ¹，RSS_1-3 ²，...，RSS_1-3 ^k)，

RSS^* _1-4＝(RSS_1-4 ¹，RSS_1-4 ²，...，RSS_1-4 ^k)，

RSS^* _12-1＝(RSS_12-1 ¹，RSS_12-1 ²，...，RSS_12-1 ^k)，

RSS^* _12-2＝(RSS_12-2 ¹，RSS_12-2 ²，...，RSS_12-2 ^k)，

RSS^* _12-3＝(RSS_12-3 ¹，RSS_12-3 ²，...，RSS_12-3 ^k)，

RSS^* _12-4＝(RSS_12-4 ¹，RSS_12-4 ²，...，RSS_12-4 ^k)。

步骤104：根据步骤103得到的参考位置点多次测量信号强度向量RSS_m-n ^*，利用平均值法计算任意锚节点NA_n在任意参考位置点RP_m处的信号强度RSS_m-n

RSS_m-n＝(RSS¹ _m-n+RSS² _m-n+...+RSS^k _m-n)/k

任意参考位置点RP_m处测量计算的所有锚节点的信号强度构成一个向量RSS_m ^RP，简称参考位置点信号强度向量RSS_m ^RP，RSS_m ^RP＝(RSS_m-1，RSS_m-2，...，RSS_m-n)，

其中，RSS_m-1表示任意参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA₁的信号强度，RSS_m-2表示任意参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA₂的信号强度，RSS_m-n表示任意参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA_n的信号强度。

步骤105：根据步骤104所计算得到的RSS_m-n，形成信号空间的矩阵PRSS_m-n，即

其中RSS₁ ^RP表示参考位置点RP₁的信号强度向量，RSS₂ ^RP表示参考位置点RP₂的信号强度向量，RSS_m ^RP表示参考位置点RP_m的信号强度向量，RSS_1-1表示参考位置点RP₁处测量计算的锚节点NA₁的平均信号强度，RSS_1-n表示参考位置点RP₁处测量计算的锚节点NA_n的平均信号强度，RSS_m-1表示参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA₁的平均信号强度，RSS_m-n表示参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA_n的平均信号强度。

如图2所式，则得到12个参考位置点处、4个锚节点的信号空间矩阵PRSS_12-4：

其中RSS_1-1表示参考位置点RP₁处测量计算的锚节点NA₁的平均信号强度，RSS_1-4表示参考位置点RP₁处测量计算的锚节点NA₄的平均信号强度，RSS_12-1表示参考位置点RP₁₂处测量计算的锚节点NA₁的平均信号强度，RSS_12-4表示参考位置点RP₁₂处测量计算的锚节点NA₄的平均信号强度。

在本发明中，根据信号强度平均值法计算目标节点NT_p的RSS_p ^NT向量的处理步骤为：

步骤201：目标节点NT_p进入定位网络区域后，读取所有锚节点NA_n的信号强度数据，进行k次重复读取。得到如下一个信号强度向量 ${{\mathrm{RSS}}^{*}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}=({{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^1,{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^2,...,{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^k),$ 其中

表示目标节点NT_p第一次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，

表示目标节点NT_p第二次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，

表示目标节点NT_p第k次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，也表示目标节点NT_p任意一次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度。^*表示重复测量标识。

步骤202：根据步骤201所得到的信号强度向量

利用平均值法计算目标节点NT_p对任意锚节点NA_n的平均信号强度

${\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}=({{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^1+{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^2+...+{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^k)/k$

步骤203：根据步骤202所得到的平均信号强度

获得目标节点NT_p处所有锚节点的接收信号强度向量RSS_n ^NT(简称目标点信号强度向量)

${\mathrm{RSS}}_p^{\mathrm{NT}}=({\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}1},{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}2},...,{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}).$

表示目标节点NT_p处第一个锚节点NA₁的平均信号强度，

表示目标节点NT_p处第二个锚节点NA₂的平均信号强度，

表示目标节点NT_p处第n个锚节点NA_n的平均信号强度，也称为目标节点NT_p处任意锚节点NA_n的平均信号强度。

通过对多次采集到的信号强度向量求平均值，减少由于环境等因素对于目标节点接收到的信号强度向量的影响。

在本发明中，利用补偿的K值近邻法选取目标节点的邻居参考位置节点处理步骤为：

步骤301：计算目标节点NT_p的信号强度向量RSS_p ^NT与任意参考位置点RP_m的信号强度向量各维的差值的平方，即计算任意锚节点NA_n在目标节点NT_p与参考位置点RP_m处的信号强度差的平方(简称锚节点信号强度差平方)，记为ΔRSS_n ^p-m，表达式为 ${\mathrm{\ΔRSS}}_n^{p-m}={({\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}-{\mathrm{RSS}}_{m-n})}^2.$

在目标节点NT_p与参考位置点RP_m处的所有锚节点信号强度差平方构成一个向量，简称信号强度差平方向量，记为ΔRSS^p-m， ${\mathrm{\ΔRSS}}^{p-m}=({\mathrm{\ΔRSS}}_1^{p-m},\mathrm{\Δ}{\mathrm{RSS}}_2^{p-m},...,{\mathrm{\ΔRSS}}_n^{p-m})$

ΔRSS₁ ^p-m表示锚节点NA₁信号强度差平方，ΔRSS₂ ^p-m表示锚节点NA₂信号强度差平方，ΔRSS_n ^p-m表示锚节点NA_n信号强度差平方。

步骤302：计算所有的n个锚节点的信号强度差平方的平均值

步骤303：信号强度差平方的平均值补偿。即将信号强度差平方向量ΔRSS^p-m中的各维度与

相差最大的PBC个锚节点信号强度差平方值用替换修正，设修正后的信号强度差平方向量为ΔRSS^p-m， ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}^{p-m}=({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_1^{p-m},{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_2^{p-m},...,{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_n^{p-m}).$

步骤304：利用修正后的信号强度差平方向量计算目标节点NT_p与参考位置点RP_m的距离，简称目标节点与参考位置点的信号距离，记为DIS_m ^p， ${\mathrm{DIS}}_m^p=({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_1^{p-m}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_2^{p-m}+...+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_n^{p-m})/n;$

步骤305：重复步骤301至步骤304，直到穷尽完所有的参考位置点，则得到了目标节点NT_p相对于所有参考位置点的m个信号距离DIS₁ ^p，DIS₂ ^p，...，DIS_m ^p。

DIS₁ ^p表示目标节点与参考位置点RP₁的信号距离，DIS₂ ^p表示目标节点与参考位置点RP₂的信号距离，DIS_m ^p表示目标节点与参考位置点RP_m的信号距离。

步骤306：从步骤305所得到的m个距离中选择最小的一个信号距离，记为DIS_MIN ^p，相应的参考位置点记为RP_MIN。

如图2所示，目标节点NT₁的最小信号距离为DIS₅ ¹，对应的参考位置点为RP₅；目标节点NT₂的最小距离为DIS₄ ²，对应的参考位置点为RP₄。

步骤307：判断DIS_MIN ^p的大小，如果 ${\mathrm{DIS}}_{\mathrm{MIN}}^p\≤1,$ 说明目标节点NT₁就在参考位置点RP_MIN的覆盖范围内，直接采用该参考点RP_MIN作为目标节点NT_p定位结果，即 ${\mathrm{Pos}}_p^{\mathrm{NT}}=(x_p^{\mathrm{NT}},y_p^{\mathrm{NT}},z_p^{\mathrm{NT}})=(x_{{\mathrm{RP}}_{\mathrm{MIN}}},y_{{\mathrm{RP}}_{\mathrm{MIN}}},z_{{\mathrm{RP}}_{\mathrm{MIN}}});$ 否则，执行步骤308。

如图2所示， ${\mathrm{DIS}}_5^1\≤1,$ 说明目标节点NT₁就在参考位置点RP₅的覆盖范围内，直接采用参考位置点RP₅的位置信息作为目标节点NT₁定位结果，即 ${\mathrm{Pos}}_1^{\mathrm{NT}}=(x_1^{\mathrm{NT}},y_1^{\mathrm{NT}},z_1^{\mathrm{NT}})=(x_5,y_5,z_5)$

${\mathrm{DIS}}_4^2>1,$ 则定位目标节点NT₂还需继续执行下面的步骤308。

步骤308：计算近邻选择系数K。

$K=1+\frac{P_{\max }}{{{\mathrm{DIS}}_{\mathrm{MIN}}^p}^2},$ P_max表示锚节点的最大发射功率。

步骤309：比较步骤305所得到DIS_m ^p，如果距离DIS_m ^p小于K×DIS_MIN ^p，则将该距离所对应的参考位置点作为目标节点NT_p的邻居。

步骤310：重复处理步骤309，直到处理完毕所有的m个距离DIS₁ ^p，DIS₂ ^p，...，DIS_m ^p。从而得到目标节点NT_p的近邻参考位置表单Neighbor_p， ${\mathrm{Neighbor}}_p=\{{\mathrm{RP}}_1^{\·},{\mathrm{RP}}_2^{\·},...,{\mathrm{RP}}_r^{\·}\},$ 其中，r表示目标节点NT_p共有r个满足条件的近邻参考位置点，RP₁ ^·表示目标节点NT_p的第一个近邻参考位置点，RP₂ ^·表示目标节点NT_p的第二个近邻参考位置点，RP_r ^·表示目标节点NT_p的第r个近邻参考位置点，也称为目标节点NT_p的任意一个近邻参考位置点。

这些邻居节点所对应的信号距离分别为DIS₁ ^p·，DIS₂ ^p·，…，DIS_r ^p·

DIS₁ ^p·表示目标节点NT_p的第一个近邻参考位置点RP₁ ^·的信号距离，DIS₂ ^p·表示目标节点NT_p的第二个近邻参考位置点RP₂ ^·的信号距离，DIS_r ^p·表示目标节点NT_p的第r个近邻参考位置点RP_r ^·的信号距离，也称为目标节点NT_p的任意近邻参考位置点RP_r ^·的信号距离。

如图2所示，针对目标节点NT₂所选择的近邻参考点位置点有Neighbor₂＝{RP₄，RP₅，RP₇，RP₈}，相应的距离分别为DIS₄ ²，DIS₅ ²，DIS₇ ²，DIS₈ ²。

在本发明中，利用信号强度加权法计算目标节点的位置处理步骤为：

步骤401：计算目标节点NT_p近邻参考位置点表单Neighbor_p中任意一个近邻参考位置点RP_r ^·的权值σ_r ^p， ${\mathrm{\σ}}_r^p=\frac{\frac{1}{\ln \left(\mathrm{DI}{S}_1^{p\·}\right)}}{\underset{l=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{\ln \left({\mathrm{DIS}}_1^{p\·}\right)}},$ ln(DIS₁ ^p·)表示对DIS₁ ^p·求以指数为底的对数函数，l是求和运算过程中的中间变量，它的取值从1到r，则 $\underset{l=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{\ln \left({\mathrm{DIS}}_1^{p\·}\right)}$ 就得到了所有量的和。

步骤402：重复步骤401，直到穷尽目标节点NT_p近邻参考位置点表单Neighbor_p中的所有近邻参考位置点。

步骤403：根据步骤402所计算的权值和物理位置信息矩阵RPOS_m-3中目标节点NT_p近邻参考位置点表单Neighbor_p中任意一个近邻参考位置点RP_r ^·的三维坐标(记为(x_l ^p·，y_l ^p·，z_l ^p·))，使用加权法计算目标节点NT_p的三维坐标 ${\mathrm{Pos}}_p^{\mathrm{NT}}=(x_p^{\mathrm{NT}},y_p^{\mathrm{NT}},z_p^{\mathrm{NT}}),$ 即 $x_p^{\mathrm{NT}}=\underset{l=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{x}_l^{p\·}{\mathrm{\σ}}_l^p,$ $y_p^{\mathrm{NT}}=\underset{l=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{y}_l^{p\·}{\mathrm{\σ}}_l^p,$ $z_p^{\mathrm{NT}}=\underset{l=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{z}_l^{p\·}{\mathrm{\σ}}_l^p.$

本发明提出的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，通过信号强度作为定位参数，采用近邻选择算法以及加权计算进行传感器节点的定位。在保证了较高的定位精度前提下，直接利用信号强度向量作为参数计算目标节点的三维坐标，避免了数据转换对定位精度的影响，整个算法复杂度低，便于在计算能力受限的传感器网络中实现、不需要额外设备，降低了系统的花费，减少定位系统部署的复杂度的，因此，是一种具有较好普适性的定位方法。

Claims (5)

1.一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，所述的无线传感器网络由一些已知位置的锚节点和一些位置未知的目标节点所构成；利用信号图对目标节点定位，还会在传感网络区域中选择一系列的参考位置点；其特征在于：无线传感器网络中，对于任意一个目标节点NT_p，采用如下步骤确定自身位置：

步骤1：利用平均值法建立信号空间模型，计算获得当前网络信号空间矩阵和物理位置信息矩阵；

步骤2：根据信号强度平均值法计算目标节点NT_p的接收信号强度向量

步骤3：利用补偿的K值近邻法选取目标节点NT_p的近邻参考位置点；

步骤4：利用信号强度加权法计算目标节点NT_p的三维坐标 ${\mathrm{Pos}}_p^{\mathrm{NT}}=(x_p^{\mathrm{NT}},y_p^{\mathrm{NT}},z_p^{\mathrm{NT}}).$

2.根据权利要求1所述的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，其特征在于：所述的利用平均值法建立信号空间模型，计算获得当前网络信号空间矩阵和物理位置信息矩阵的处理步骤为：

步骤101：布置定位网络区域，投放n个锚节点；

步骤102：在定位网络区域选取m个参考位置点，并记录每个参考位置点的三维物理坐标；

任意一个参考位置点RP_m的三维坐标为Pos_m＝(x_m，y_m，z_m)，构建物理位置信息矩阵 ${\mathrm{RPOS}}_{m-3}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Pos}}_1\\ {\mathrm{Pos}}_2\\ ...\\ {\mathrm{Pos}}_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& y_1& z_1\\ x_2& y_2& z_2\\ ...& ...& ...\\ x_m& y_m& z_m\end{array}\right],$ Pos₁表示参考位置点RP₁的位置坐标(x₁，y₁，z₁)，Pos₂表示参考位置点RP₂的位置坐标(x₂，y₂，z₂)，Pos_m表示参考位置点Rp_m的位置坐标(x_m，y_m，z_m)，也称为任意参考位置点RP_m的位置坐标(x_m，y_m，z_m)；

步骤103：在每一个参考位置点，测量并记录所有锚节点的信号强度，并进行k次重复测量；

步骤104：根据步骤103得到的参考位置点多次测量信号强度向量，利用平均值法计算任意锚节点NA_n在任意参考位置点RP_m处的信号强度RSS_m-n＝(RSS¹ _m-n+RSS² _m-n+...+RSS^k _m-n)/k，RSS_m-1表示任意参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA₁的信号强度，RSS_m-2表示任意参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA₂的信号强度，RSS_m-n表示任意参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA_n的信号强度；

步骤105：根据步骤104所计算得到的RSS_m-n，形成当前网络信号空间矩阵

其中

表示参考位置点RP₁的信号强度向量，表示参考位置点RP₂的信号强度向量，RSS_1-1表示参考位置点RP₁处测量计算的锚节点NA₁的平均信号强度，RSS_1-n表示参考位置点RP₁处测量计算的锚节点NA_n的平均信号强度，RSS_m-1表示参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA₁的平均信号强度，RSS_m-n表示参考位置点RP_m处测量计算的锚节点NA_n的平均信号强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，其特征在于：所述根据信号强度平均值法计算目标节点NT_p的

向量的处理步骤为：

步骤201：目标节点NT_p进入定位网络区域后，读取所有锚节点NA_n的信号强度数据，进行k次重复读取，得到如下一个信号强度向量 ${{\mathrm{RSS}}^{*}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}=({{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^1,{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^2,...,{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^k),$

表示目标节点NT_p第一次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，

表示目标节点NT_p第二次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，

表示目标节点NT_p第k次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，也表示目标节点NT_p任意一次采集到的任意锚节点NA_n的信号强度，*表示重复测量标识；

步骤202：根据步骤201所得到的信号强度向量

利用平均值法计算目标节点NT_p对任意锚节点NA_n的平均信号强度 ${\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}=({{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^1+{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^2+...+{{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}}^k)/k;$

步骤203：根据步骤202所得到的平均信号强度获得目标节点NT_p的接收信号强度向量 ${\mathrm{RSS}}_p^{\mathrm{NT}}=({\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}1},{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}2},...,{\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}).$

4.根据权利要求1所述的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，其特征在于：所述利用补偿的K值近邻法选取目标节点NT_p的近邻参考位置点处理步骤为：

步骤301：计算目标节点NT_p的信号强度向量

与任意参考位置点RP_m的信号强度向量各维的差值的平方 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{RSS}}_n^{p-m}={({\mathrm{RSS}}_{{\mathrm{NT}}_{p}n}-{\mathrm{RSS}}_{m-n})}^2;$

在目标节点NT_p与参考位置点RP_m处的所有锚节点信号强度差平方构成一个向量 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{RSS}}^{p-m}=(\mathrm{\Δ}{\mathrm{RSS}}_1^{p-m},\mathrm{\Δ}{\mathrm{RSS}}_2^{p-m},...,\mathrm{\Δ}{\mathrm{RSS}}_n^{p-m});$

步骤302：计算所有的n个锚节点的信号强度差平方的平均值

步骤303：将信号强度差平方向量ΔRSS^p-m中的各维度与

相差最大的PBC个锚节点信号强度差平方值用

替换修正，设修正后的信号强度差平方向量为 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}^{p-m}=({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_1^{p-m},{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_2^{p-m},...,{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_n^{p-m});$ PBC表示维度个数；

步骤304：利用修正后的信号强度差平方向量计算目标节点NT_p与参考位置点RP_m的距离 ${\mathrm{DIS}}_m^p=({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_1^{p-m}+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_2^{p-m}+...+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔRSS}}}_n^{p-m})/n;$

步骤305：重复步骤301至步骤304，直到穷尽完所有的参考位置点，则得到了目标节点NT_p相对于所有参考位置点的m个距离 ${\mathrm{DIS}}_1^p,{\mathrm{DIS}}_2^p,...,{\mathrm{DIS}}_m^p;$

步骤306：从步骤305所得到的m个距离中选择最小的一个距离为

相应的参考位置点为RP_MIN；

步骤307：判断

的大小，如果

说明目标节点就在参考位置点RP_MIN的覆盖范围内，直接采用该参考点RP_MIN作为目标节点NT_p定位结果， ${\mathrm{Pos}}_p^{\mathrm{NT}}=(x_p^{\mathrm{NT}},y_p^{\mathrm{NT}},z_p^{\mathrm{NT}})=(x_{{\mathrm{RP}}_{\mathrm{MIN}}},y_{R{P}_{\mathrm{MIN}}},z_{{\mathrm{RP}}_{\mathrm{MIN}}});$ 否则，执行步骤308；

步骤308：计算近邻选择系数

P_max表示锚节点的最大发射功率；

步骤309：比较步骤305所得到

如果距离

小于

则将该距离所对应的参考位置点作为目标节点NT_p的邻居；

步骤310：重复处理步骤309，直到处理完毕所有的m个距离，从而得到目标节点NT_p的近邻参考位置表单Neighbor_p。

5.根据权利要求1所述的一种基于信号强度距离的无线传感器网络信号图定位方法，其特征在于：利用信号强度加权法计算目标节点的位置处理步骤为：

步骤401：计算目标节点NT_p近邻参考位置点表单Neighbor_p中任意一个近邻参考位置点

的权值

表示对

求以指数为底的对数函数，l是求和运算过程中的中间变量，l取值从1到r，则

就得到了所有量的和，表示目标节点NT_p的第l个近邻参考位置点的信号距离；

步骤402：重复步骤401，直到穷尽目标节点NT_p近邻参考位置点表单Neighbor_p中的所有近邻参考位置点；

步骤403：根据步骤402所计算的权值和物理位置信息矩阵RPOS_m-3中目标节点NT_p近邻参考位置点表单Neighbor_p中任意一个近邻参考位置点

的三维坐标

使用加权法计算目标节点NT_p的三维坐标 ${\mathrm{Pos}}_p^{\mathrm{NT}}=(x_p^{\mathrm{NT}},y_p^{\mathrm{NT}},z_p^{\mathrm{NT}}).$

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