CN102209382A - 一种基于rssi的无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位方法。传统的方法精度不高,容易受环境的干扰。本发明方法在RSSI值读取方面,使用高斯分布函数模型选择有效RSSI值,一定程度上去掉了RSSI测量时的小概率事件,提高了节点间RSSI值的精确度;采用三角形定位法得到未知节点的坐标,并通过未知节点的分布概率模型对未知节点循环求精,找出其中分布概率最大的一个点作为最终的定位坐标。本发明引入锚节点与锚节点之间的信号强度和距离信息作为参考,通过未知节点的分布概率模型找出未知节点坐标,提高了未知节点与锚节点之间的测距精度和定位精度,且不易受环境干扰。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域,具体是一种基于RSSI(Received Signal Strength Indication,接收信号强度指示)的无线传感器网络节点定位方法。
背景技术
在无线传感器网络中,位置信息对无线传感器网络的监测活动至关重要,没有位置信息的数据是毫无意义。例如目标监测与跟踪、智能交通、物流管理等许多应用都要求网络节点预先知道自身的位置,并在通信和协作过程中利用位置信息完成应用要求。
传感器节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到很大限制。为所有网络节点安装GPS模块受到成本、功耗、扩展性等问题的限制。因此传感器节点的定位问题成为无线传感器领域的一个热点问题。
一般的,在无线传感器网络中,根据是否需要测量实际节点的距离,可将定位方法分为两类:基于距离的定位和距离无关的定位方法。前者通过测量节点间点到点的绝对距离或方位,使用三边测量、三角测量或极大似然估计法计算节点位置,例如:到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、无线信号强度指示(RSSI);后者定位则无需测量节点间的绝对距离或方位,而是利用节点间的估计距离计算节点位置,例如:凸规划、质心算法、DV-hop算法、Amorphous算法、APIT算法等。
近年来通过节点之间有限的信息传输来获取节点的位置信息成为了该领域的一个重要应用方向。将位置信息未知的节点称为未知节点,而位置信息已知的节点称为锚节点。其中基于RSSI测距的定位技术是一个比较有代表性的实现方案。基于RSSI测距的工作原理是将发射节点发射时的信号强度与接收节点收到的信号强度作比较,再将信号在传播过程中的损耗考虑进去,使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。常用的传播路径损耗模型有:自由空间传播模型、对数-常态分布模型、对数-距离路径损耗模型、哈它模型等。由于RSSI测距的定位技术定位原理简单,且无需额外的硬件开销和网络通信开销,得到了人们的青睐和研究。
基于RSSI测距及定位的精度不高,容易受环境的干扰。例如无线信号传播过程中的多径干扰、绕射、障碍物、非视线等不定因素都会影响无线信号强度指示,从而影响节点之间的测距和定位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题,提供一种定位精度高,不易受环境影响,硬件易于实现,成本较低的基于RSSI的无线传感器网络节点定位方法。
本发明的包括以下步骤:
步骤2:通过公式(4)计算数组Beacon_val_i[]中RSSI值的均值m。
其中为数组Beacon_val_i[]中第k个RSSI值,r为数组Beacon_val_i[]中RSSI值的个数。
(2)
建立高斯分布函数模型,
以及条件式
对数组Beacon_val_i[]中的每个RSSI值代入高斯分布函数模型计算,认定的RSSI值为数组Beacon_val_i[]中有效的RSSI值。建立数组Beacon_val_effective_i[],用来保存数组Beacon_val_i[]中有效的RSSI值。计算数组Beacon_val_effective_i[]中的RSSI值的均值,记为。
步骤4:对数组Beacon_val_ij[]中的每个RSSI值代入步骤2所述的高斯分布函数模型计算,得到数组Beacon_val_ij[]中的有效RSSI值。建立数组Beacon_val_effective_ij[],用来保存数组Beacon_val_ij[]中有效的RSSI值。计算数组Beacon_val_effective_ij[]中的RSSI值的均值,记为。
对公式(5)作同等变换得:
(7)
由公式(7)得:
由公式(8)得:
(10)
将公式(11)代入公式(9)得:
步骤7:建立未知节点的分布概率模型,得到未知节点在无线传感器网络中每个位置的分布概率;
步骤10:重复步骤9,以第(N-1)次的定位位置为初始位置、以为步长进行定位搜索处理,得到待测节点的第N次定位位置。当第N次定位结果与第(N-1)次定位结果相同时,停止定位搜索,并将第N次定位结果作为待测节点的最终位置结果。
本发明的有益效果是:引入锚节点与锚节点之间的信号强度和距离信息作为参考,通过未知节点的分布概率模型找出未知节点坐标,提高了未知节点与锚节点之间的测距精度和定位精度,且不易受环境干扰。
附图说明
图1为未知节点的定位流程图;
图2为锚节点与锚节点之间的信号强度和距离为参考的未知节点测距图;
图3为三角形质心定位方法图。
具体实施方式
以下根据附图对本发明的方法作进一步描述。
一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位方法,涉及无线传感器网络中的锚节点和未知节点,坐标位置已知的节点称之为锚节点,坐标位置未知的节点称之为未知节点。该定位方法的特别之处在于:在RSSI值读取方面,使用高斯分布函数模型选择有效RSSI值,一定程度上去掉了RSSI测量时的小概率事件,提高了节点间RSSI值的精确度;能够有效通过锚节点之间的距离和RSSI值作为参考,得到未知节点与锚节点之间的距离,提高了未知节点与锚节点之间的测量精度;采用三角形定位法得到未知节点的坐标,并通过未知节点的分布概率模型对未知节点循环求精,找出其中分布概率最大的一个点作为最终的定位坐标。定位方法的流程图如图1所示,包括以下步骤:
步骤2:通过公式(16)计算数组Beacon_val_i[]中RSSI值的均值m。
(16)
其中为数组Beacon_val_i[]中第k个RSSI值,r为数组Beacon_val_i[]中RSSI值的个数。
建立高斯分布函数模型,
(18)
以及条件式
(19)
其中公式(19)的下限0.6为本实施例设定的高斯分布函数模型的临界点。
对数组Beacon_val_i[]中的每个RSSI值代入高斯分布函数模型计算,认定的RSSI值为数组Beacon_val_i[]中有效的RSSI值,而的RSSI值为小概率事件,予以排除。建立数组Beacon_val_effective_i[],用来保存数组Beacon_val_i[]中有效的RSSI值,即数组Beacon_val_i[]中满足的RSSI值。计算数组Beacon_val_effective_i[]中的RSSI值的均值,记为。
步骤4:对数组Beacon_val_ij[]中的每个RSSI值代入步骤2所述的高斯分布函数模型计算,筛选出数组Beacon_val_ij[]中的有效RSSI值。建立数组Beacon_val_effective_ij[],用来保存数组Beacon_val_ij[]中有效的RSSI值。计算数组Beacon_val_effective_ij[]中的RSSI值的均值,记为。
接收节点接收的信号强度为:
将公式(22),公式(24)代入公式(8)得:
(25)
(27)
由公式(26)得:
由公式(27)得:
将公式(30)代入公式(28)得:
, (17)
步骤7:建立待测节点的分布概率模型,得到待测节点在无线传感器网络中每个位置的分布概率;
步骤10:重复步骤9,以第(N-1)次的定位结果为初始位置、以为步长进行定位搜索处理,得到待测节点的第N次定位位置。当第N次定位结果与第(N-1)次定位结果相同时,停止定位搜索,并将第N次定位结果作为待测节点的最终位置结果。
Matlab仿真实验
在一个20m × 20m的无线传感器网络中,锚节点均匀分布,未知节点随机分布,路径损耗系数n为2,功率测量误差标准差为4,在不同的锚节点数目下,当分别采用本实施例方法和三角形质心定位方法所得到的定位误差如表1所示。
表一
所述的定位精度公式为:
其中:(x,y)为未知节点的真实坐标,(a,b)为本实施例方法得到的定位坐标,R为节点的通信半径,q为参与定位的未知节点个数,E为本实施例定位方法的定位精度。
从表一可见,本实施例定位方法在定位精度上较三角形质心定位方法有一定的提高。
Claims (1)
1.一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位方法,其特征在于该方法包括如下步骤:
步骤1:建立数组Beacon_val_i[],用来保存锚节点 接收到的未知节点M的信号的RSSI值;
步骤2:计算数组Beacon_val_i[]中RSSI值的均值m,
其中为数组Beacon_val_i[]中第k个RSSI值,r为数组Beacon_val_i[]中RSSI值的个数;
(3)
以及条件式
其中为高斯分布函数模型的临界点;
对数组Beacon_val_i[]中的每个RSSI值代入高斯分布函数模型计算,认定的RSSI值为数组Beacon_val_i[]中有效的RSSI值;建立数组Beacon_val_effective_i[],用来保存数组Beacon_val_i[]中有效的RSSI值,计算数组Beacon_val_effective_i[]中的RSSI值的均值,记为;
步骤4:对数组Beacon_val_ij[]中的每个RSSI值代入步骤2所述的高斯分布函数模型计算,得到数组Beacon_val_ij[]中的有效RSSI值;建立数组Beacon_val_effective_ij[],用来保存数组Beacon_val_ij[]中有效的RSSI值;计算数组Beacon_val_effective_ij[]中的RSSI值的均值,记为;
对式(4)作同等变换得:
其中A为与发射节点距离为1米时,即=1米时的无线信号强度;
由公式(6)得:
由公式(7)得:
将公式(10)代入公式(8)得:
步骤7:建立未知节点的分布概率模型,得到未知节点在无线传感器网络中每个位置的分布概率;
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