CN104023391A - 一种基于rssi动态路径损耗的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法，步骤如下：通过与读卡器i距离相近的k个读卡器计算出读卡器i所在环境的路径损耗指数；重复步骤(1)，将求得的每个n值与对应的RSSI值记录在数据库中；在特定环境中布置读卡器，移动待定位标签，选取测得信号衰减最小的h个读写器的RSSI值来计算距离；将P_m、P₀、n_m代入就可以求得待定位标签与各个读卡器之间的距离；根据距离公式，表达待定位标签与h个读卡器关系；通过X的最小均方差估计值X＝(A^TA)^-1A^Tb来求得待定位标签的坐标(x,y)。

Description

一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感网领域的定位方法，具体是一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法。

背景技术

无线定位是指利用无线电波信号确定移动设备在某一参考坐标系统中的位置。随着无线传感网技术的迅速兴起，大量的无线传感器网络定位算法被提出来，主要分为无需测距的定位技术和基于测距的定位技术。在实际定位系统中，常用接收信号强度指示(Received SignalStrength Indication，RSSI)进行测距，并利用三边测量法进行定位。RSSI的优势在于低成本、低功耗、易于实现。信号的传播路径可能遭遇到墙壁、障碍物等，由于障碍物的阻挡，电平会有一定的衰落，因此必须建立一个综合环境因素的信号传输模型来克服障碍物对信号的影响，这对于提高无线定位精度也意义重大。

经过几十年的发展，已有许多学者提出了各种经典的无线传感器定位方法并对其进行了深入的研究，取得了一些重要的成果。虽然RSSI技术具有低成本、低功耗且易于实现等优势，但该测距易受环境影响，主要存在以下缺点：

1.RSSI测距容易受反射、多径传播、非视距等问题的影响。

2.信号的传播路径还可能遭遇到墙壁、障碍物甚至人体等，都会对电平衰落有一定的影响。

3.由于环境的改变不规律性和不确定性，很难用理论公式来模拟环境的改变，所以无法预测出环境损耗因数，导致测距误差。

障碍物对信号的吸收这种影响成为无法忽略的一个因素，所以建立一个考虑环境因素对无线信号传输造成衰减的无线信号模型对于无线定位精度的提高很有意义。

发明内容

本发明要克服现有技术环境因素对定位精度影响大的缺点，提出一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法。

本方法首先获得环境损耗指数n的最优解，建立一个关于信号强度损耗与传输距离之间的关系式；其次，利用三边定位测量算法，建立多组带路径损耗指数的信号强度损耗与传输距离的关系式；最后，通过最小二乘法来计算获得待定位标签的坐标位置。该方法通过每个读写器邻近的参考标签计算获得各个读写器的路径损耗指数，并将其引进定位算法中，增加各个读写器所获得自身与待定位标签之间相对距离的准确性，提高定位精度。该方法主要针对NLOS室内环境，通过建立已知环境的路径损耗指数数据库，克服环境中路径损耗指数的不确定性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在三边定位方法的基础上，该方法通过每个读写器邻近的参考标签计算获得各个读写器的路径损耗指数，并将其引进定位算法中，增加各个读写器所获得自身与待定位标签之间相对距离的准确性，提高定位精度。信号强度衰减遵循一定规律，信号强度会按照一定路径损耗指数衰减，所以本发明用以下数学公式描述信号强度衰减：

$\mathrm{PL}\left(d\right)\≡\stackrel{\‾}{\mathrm{PL}}\left(d_0\right)-10\mathrm{nlg}\frac{d}{d_0}$

其中PL(d)为经过距离d后接收到的信号强度，单位为dBm；n为路径损耗指数，到同一个节点的不同距离处的环境的不同，路径损耗指数也将不同,本发明致力于克服环境中n值变化的不确定性，一般取(2.0,6.0)；d是节点与标签之间的距离；d₀取1.0，为距发射端1m处接收到的信号强度。

一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法，步骤如下：

(1)通过与读卡器i距离相近的k个读卡器计算出读卡器i所在环境的路径损耗指数，假设与同一读写器i距离相近的k个未知点所在的环境高度相似，即k个待定位标签在一定大小范围内的路径损耗指数高度近似式中，用公式表达：

$n_i=\frac{\mathrm{kPL}\left(d_0\right)-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PL}\left(d_{\mathrm{ij}}\right)}{10\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\lg d_{\mathrm{ij}}}$

其中n_i为路径损耗指数，d_ij为两节点之间距离，可以根据距离关系计算出来，k为读卡器个数，PL(d_ij)为待定位标签j到读写器i的信号强度，PL(d₀)为距发射端1m处接收到的信号强度；

(2)重复步骤(1)，将求得的每个n值与对应的RSSI值记录在数据库中；

(3)在特定环境中布置读卡器，移动待定位标签，选取测得信号衰减最小的h个读写器的RSSI值来计算距离，距离表达：

$\begin{array}{cc}{d}_m={10}^{\frac{P_m-P_0}{{10n}_m}}& m=\mathrm{1,2},...,h\end{array}$

其中d_m为待定位标签与读卡器m之间的距离，P_m为读卡器m接收到的信号强度，P₀为距发射端1m处接收到的信号强度,n_m为与接收到的信号强度相对应的路径损耗指数；

(4)将P_m、P₀、n_m代入就可以求得待定位标签与各个读卡器之间的距离；

(5)根据距离公式，待定位标签与h个读卡器关系表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2=d_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=d_2^2\\ \·\·\·\\ {(x-x_h)}^2+{(y-y_h)}^2=d_h^2\end{array}\right.$

其中(x_m,y_m)为读写器m的坐标，(x,y)为待定位标签的坐标，d_m为待定位标签到读卡器之间的距离，其中m＝1,2,3,…,h；

(6)将上诉方程组转化为AX＝b，其中

$\begin{array}{ccc}A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_h)& 2(y_1-y_h)\\ 2(x_2-x_h)& 2(y_2-y_h)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ 2(x_{h-1}-x_h)& 2(y_{h-1}-y_h)\end{array}\right]& b=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_h^2+y_1^2-y_h^2+d_1^2-d_h^2\\ x_2^2-x_h^2+y_2^2-y_h^2+d_2^2-d_h^2\\ \·\·\·\\ x_{h-1}^2-x_h^2+y_{h-1}^2-y_h^2+d_{h-1}^2-d_h^2\end{array}\right]& X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]\end{array}$

将求得的d_m代入，即可通过X的最小均方差估计值X＝(A^TA)^-1A^Tb来求得待定位标签的坐标(x,y)。

本发明在传统接收信号强度指示(RSSI)定位算法的基础上，引进路径损耗指数来改进算法，减少由于遮挡等原因引起的环境影响因素对定位精度所造成的误差。

在无线传感网络定位中采用本发明提出的方法能够较好克服环境中路径损耗指数的不确定性，提高定位精度。

本发明的优点是：在定位前对环境进行一定程度的认知，并建立数据库，解决了传统方法因环境多变造成定位精度低的缺陷，且方法简单，易于实现。

附图说明

图1为采用本发明方法的程序流程图。

图2为本发明与固定n值定位方法定位对比仿真图。

图3为本发明与固定n值定位方法仿真定位误差对比图。

图4为本发明与固定n值定位方法实验定位误差比较图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法，步骤如下：

(1)通过与读卡器i距离相近的k个读卡器计算出读卡器i所在环境的路径损耗指数，假设与同一读写器i距离相近的k个未知点所在的环境高度相似，即k个待定位标签在一定大小范围内的路径损耗指数高度近似式中，用公式表达：

$n_i=\frac{\mathrm{kPL}\left(d_0\right)-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PL}\left(d_{\mathrm{ij}}\right)}{10\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\lg d_{\mathrm{ij}}}$

其中n_i为路径损耗指数，d_ij为两节点之间距离，可以根据距离关系计算出来，k为读卡器个数，PL(d_ij)为待定位标签j到读写器i的信号强度，PL(d₀)为距发射端1m处接收到的信号强度；

(2)重复步骤(1)，将求得的每个n值与对应的RSSI值记录在数据库中；

(3)在特定环境中布置读卡器，移动待定位标签，选取测得信号衰减最小的h个读写器的RSSI值来计算距离，距离表达：

$\begin{array}{cc}{d}_m={10}^{\frac{P_m-P_0}{{10n}_m}}& m=\mathrm{1,2},...,h\end{array}$

其中d_m为待定位标签与读卡器m之间的距离，P_m为读卡器m接收到的信号强度，P₀为距发射端1m处接收到的信号强度,n_m为与接收到的信号强度相对应的路径损耗指数；

(4)将P_m、P₀、n_m代入就可以求得待定位标签与各个读卡器之间的距离；

(5)根据距离公式，待定位标签与h个读卡器关系表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2=d_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=d_2^2\\ \·\·\·\\ {(x-x_h)}^2+{(y-y_h)}^2=d_h^2\end{array}\right.$

其中(x_m,y_m)为读写器m的坐标，(x,y)为待定位标签的坐标，d_m为待定位标签到读卡器之间的距离，其中m＝1,2,3,…,h；

(6)将上诉方程组转化为AX＝b，其中

$\begin{array}{ccc}A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_h)& 2(y_1-y_h)\\ 2(x_2-x_h)& 2(y_2-y_h)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ 2(x_{h-1}-x_h)& 2(y_{h-1}-y_h)\end{array}\right]& b=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_h^2+y_1^2-y_h^2+d_1^2-d_h^2\\ x_2^2-x_h^2+y_2^2-y_h^2+d_2^2-d_h^2\\ \·\·\·\\ x_{h-1}^2-x_h^2+y_{h-1}^2-y_h^2+d_{h-1}^2-d_h^2\end{array}\right]& X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]\end{array}$

将求得的d_m代入，即可通过X的最小均方差估计值X＝(A^TA)^-1A^Tb来求得待定位标签的坐标(x,y)。

如图1所示，通过与读卡器i距离相近的k个读卡器计算出读卡器i所在环境的路径损耗指数；重复以上步骤，将求得的每个n值与对应的RSSI值记录在数据库中；在特定环境中布置读卡器，移动待定位标签，选取测得信号衰减最小的h个读写器的RSSI值来计算距离d_m；根据距离公式，列出待定位标签与h个读卡器关系表达式方程组；将上诉方程组转化为AX＝b，通过X的最小均方差估计值X＝(A^TA)^-1A^Tb来求得待定位标签的坐标。

如图2所示，在一个30×20实验室环境区域里，读卡器分别布置在区域边缘，且间隔为5m，选定固定n值方法的路径损耗值为2.0。以此为实施例，本发明的定位流程如下：

(1)在实验室环境中，利用读卡器之间互传得到RSSI值，并由已知读卡器之间距离和RSSI值计算出路径损耗值，建立RSSI值与n值相对应的数据库表格，RSSI值间隔为-1；

(2)在该30×20实验室环境区域里，读卡器分别布置在区域边缘，且间隔为5m，选定固定n值方法的路径损耗值为2.0；

(3)将定位标签放置在(15,10)，通信得到的RSSI值排序，并选取数值最大的三个RSSI值且所对应读卡器不在一条直线上，分别为(10，0)、(0，20)、(15，0)，对RSSI值取整从数据库表格中选取n值，分别为2.3、2.8、3，计算距离分别为11.9、17.4、10.3；

(4)根据距离公式，待定位标签与3个读卡器关系表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2=d_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=d_2^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2=d_3^2\end{array}\right.$ 即 $\left\{\begin{array}{c}{(x-10)}^2+y^2={11.9}^2\\ x^2+{(y-20)}^2={17.4}^2\\ {(x-15)}^2+y^2={10.3}^2\end{array}\right.$

其中(x_m,y_m)为读写器m的坐标，(x,y)为待定位标签的坐标；

(5)得到待定位标签坐标为(13.76,8.67)。

实验结果误差显示在图4中，其中带圆点实线是固定n值定位误差结果，带星号实线是动态n值定位误差结果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种基于RSSI动态路径损耗的定位方法，步骤如下：

(1)通过与读卡器i距离相近的k个读卡器计算出读卡器i所在环境的路径损耗指数，假设与同一读写器i距离相近的k个未知点所在的环境高度相似，即k个待定位标签在一定大小范围内的路径损耗指数高度近似式中，用公式表达：

$n_i=\frac{\mathrm{kPL}\left(d_0\right)-\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PL}\left(d_{\mathrm{ij}}\right)}{10\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\lg d_{\mathrm{ij}}}$

其中n_i为路径损耗指数，d_ij为两节点之间距离，可以根据距离关系计算出来，k为读卡器个数，PL(d_ij)为待定位标签j到读写器i的信号强度，PL(d₀)为距发射端1m处接收到的信号强度；

(2)重复步骤(1)，将求得的每个n值与对应的RSSI值记录在数据库中；

(3)在特定环境中布置读卡器，移动待定位标签，选取测得信号衰减最小的h个读写器的RSSI值来计算距离，距离表达：

$\begin{array}{cc}{d}_m={10}^{\frac{P_m-P_0}{{10n}_m}}& m=\mathrm{1,2},...,h\end{array}$

其中d_m为待定位标签与读卡器m之间的距离，P_m为读卡器m接收到的信号强度，P₀为距发射端1m处接收到的信号强度,n_m为与接收到的信号强度相对应的路径损耗指数；

(4)将P_m、P₀、n_m代入就可以求得待定位标签与各个读卡器之间的距离；

(5)根据距离公式，待定位标签与h个读卡器关系表达为：

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2=d_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=d_2^2\\ \·\·\·\\ {(x-x_h)}^2+{(y-y_h)}^2=d_h^2\end{array}\right.$

其中(x_m,y_m)为读写器m的坐标，(x,y)为待定位标签的坐标，d_m为待定位标签到读卡器之间的距离，其中m＝1,2,3,…,h；

(6)将上诉方程组转化为AX＝b，其中

$\begin{array}{ccc}A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_h)& 2(y_1-y_h)\\ 2(x_2-x_h)& 2(y_2-y_h)\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ 2(x_{h-1}-x_h)& 2(y_{h-1}-y_h)\end{array}\right]& b=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_h^2+y_1^2-y_h^2+d_1^2-d_h^2\\ x_2^2-x_h^2+y_2^2-y_h^2+d_2^2-d_h^2\\ \·\·\·\\ x_{h-1}^2-x_h^2+y_{h-1}^2-y_h^2+d_{h-1}^2-d_h^2\end{array}\right]& X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]\end{array}$

将求得的d_m代入，即可通过X的最小均方差估计值X＝(A^TA)^-1A^Tb来求得待定位标签的坐标(x,y)。