CN104955148A - 一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，公开了一种基于节点接收信号强度值(RSSI，Received Signal Strength Indicator)进行定位的新方法。利用电磁波沿空间对称传播特性，设计一种新的定位技术；将接收到的电磁波按信号强度等进行配对，寻找与待测节点等距的对称锚节点，利用对称锚节点的位置参数来计算待测节点的位置，消除电磁波信号强度变化对RSSI定位造成的不利影响，提高其定位精度；新的定位技术同时使用质心算法，使用至少三组对称锚节点的位置参数来计算待测节点的位置，进一步提高精度和增强定位稳定性。

Description

一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感网络定位方法，具体涉及一种基于RSSI的用于无线传感网络定位方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network，WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感网络在军事、民用、工业以及其它的一些商业领域具有迫切的应用需求和广阔的市场前景。在无线传感网络的各种应用中，如采集，感知，预警等，必须知道事件发生的位置或采集数据的节点位置。如果没有物理位置参数，则感知、采集获取的信息价值大大降低，有时甚至变得毫无意义，自动控制则因无法确定对象位置难以实施。因此定位技术对于无线传感器网络的应用具有十分重要的意义。

无线传感器网络节点定位作为无线传感网络的关键技术之一，主要是基于锚节点与待测节点间的参数测量，按照某种定位机制确定定位区域中待测节点的位置。目前已有质心、TDOA(Time Difference On Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、DV HOP、APT、APIT(Approximate Point in Triangle)等多种方法，在众多测距方法中，接收信号强度指示(RSSI)方法测距不需要添加任何额外硬件设备，而且可以用于多种电磁波，具有成本低、能耗小等优点，因此受到关注。

基于RSSI的定位算法采用RSSI(Received Signal Strength Indicator)技术估计与邻近点之间的距离，通过三边法计算出节点的位置。电磁波信号在传播过程中，随着距离的增加，信号强度会逐渐衰减，在RSSI测距技术中，已知发射节点的发射功率，在接收节点处测量接收功率，计算信号的传播损耗，根据理论或经验模型将传输损耗转化为距离，其计算公式如下：

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10n\lg \[\frac{d}{d_0}\]+X\mathrm{\σ}---\left(8\right)$

式中，P(d)是离发射机d处的信号强度；P(d₀)表示距离发射机为d₀时接收端接收到的信号功率，通过经验得出；d是接收机到发射机的距离；d₀是参考距离；n是信道衰减指数；Xσ是均值为0、方差为σ的高斯随机噪声；把信号强度PL(d)值代入公式(8)中就可以求出距离d的值。

由于传感器节点本身具有无线通信能力，而RSSI数据是从通信的数据包中获得，所以无须任何附加硬件。因此，它是一种低功耗、方便、廉价的测距技术。RSSI测距虽然符合低功率、低成本的要求，但是由于RSSI信号强度不稳定，容易受到温度、湿度、大雾等环境因素的影响，因此可能会产生较大的测距误差。故RSSI测距技术是一种粗粒度的定位技术，目前对算法的改进集中在使用加权方法提高精度，但由于电磁波信号强度会受环境影响而变化，精度提高有限。

发明内容

本发明所要解决的实际问题是：针对当前RSSI定位中存在的电磁波信号强度不稳定，容易受到温度、湿度、大雾等环境因素的影响，会产生较大的测距误差等技术问题。

为解决上述问题本发明提出一种利用电磁波沿空间对称传播特性定位的新方法。采用的技术方案是基于待测节点接收到的各锚节点信号强度值(RSSI)，利用电磁波在空间传播时具有对称性的特点，将接收到的电磁波按信号强度及其位置参数等进行配对，寻找与待测节点等距的对称锚节点，利用配对的两个锚节点的位置参数通过一系列计算来定出待测节点的位置。当电磁波信号受天气等因素影响时，接收到的信号强度会发生变化，使用公式

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10n\lg \[\frac{d}{d_0}\]+X\mathrm{\σ}---\left(8\right)$

计算将会导致较大误差，而与待测节点等距的对称锚节点的RSSI值虽然也会发生变化，但仍然相等，本发明利用RSSI值受环境影响，但仍相等的特性，消除了电磁波信号强度变化对RSSI定位造成的不利影响，提高其定位精度；新的定位技术同时使用质心算法，使用至少三组对称锚节点的位置参数来计算待测节点的位置，进一步提高精度和增强定位稳定性。

定位的过程如下：

步骤一：初始化网络，确定无线传感网络定位区域、锚节点坐标及随机分布在该定位区域内的待测节点；

步骤二：待测节点通过接收锚节点周期性向周围广播的信息，测出锚节点的RSSI值，进行多次测量以提高其精确度，记录接收到的锚节点RSSI值r及其位置参数；[r₁，A(x₁，y₁)]、[r₂，B(x₂，y₂₎]、[r₃，C(x₃，y₃)]……[r_m，M(x_m，y_m)]、[r_n，N(x_n，y_n)]。

步骤三：将测得的多个锚节点按RSSI值r₁、r₂、r₃、……r_n进行配对，找出RSSI值相等的两个锚节点，配成一组对称锚节点；如此反复，找出至少三组对称锚节点。

若存在r₁＝r₂，则r₁、r₂对应的锚节点A、B为一组对称锚节点；

若存在r₃＝r₄，则r₃、r₄对应的锚节点C、D为一组对称锚节点；

…………

若存在r_m＝r_n，则r_m、r_n对应的锚节点M、N为一组对称锚节点。

在实际测量时要求至少找出2组对称锚节点，以使其两条垂直平分线相交，得到待测节点的位置。

步骤四：根据电磁波在空间中传播的对称性特性，待测节点必定位于已测出的一组对称锚节点的两个节点之间的垂直平分线Y上，当测出两组对称锚节点时，则两组对称锚节点形成的两条垂直平分线必定有交点P(x，y)，则此交点为待测节点的位置。

(1)一组对称锚节点的垂直平分线为：

$Y=-\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}\[x-\frac{x_1+x_2}{2}\]+\frac{y_1+y_2}{2}---\left(1\right)$

式中x₁、y₁，x₂、y₂为对称锚节点A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)的坐标。Y为对称锚节点A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)的垂直平分线；

至少三组对称锚节点形成垂直平分线，记为Y1、Y2、Y3……Yn。

(2)两组对称锚节点形成的两条垂直平分线的交点P(x，y)为：

$x=\frac{b_2-b_1}{a_1-a_2}---\left(2\right)$

$y=\frac{a_1{b}_2-a_1{b}_1}{a_1-a_2}+b_1---\left(3\right)$

式中a₁、b₁，a₂、b₂为两组锚节点所形成的两条垂直平分线Y1＝a₁x+b₁，Y2＝a₂x+b₂的 系数。

(3)当有至少三组对称锚节点形成的多条垂直平分线，可通过上述方法算出多个交点，记为：P(x₁，y₁)、P(x₂，y₂)、P(x₃，y₃)、P(x₄，y₄)、……P(x_n，y_n)。

步骤五：当测出的对称锚节点有至少三组时，则对称锚节点的垂直平分线，有可能不相交于同一点，此时利用质心算法将多条垂直平分线的交点计算出这些交点的质心，则此质心位置即为待测节点的位置。

则其质心坐标为：

$x=\frac{x_1+x_2+x_3+...+x_n}{n}---\left(4\right)$

$y=\frac{y_1+y_2+y_3+...+y_n}{n}---\left(5\right)$

式中x₁、x₂、x₃……x_n，y₁、y₂、y₃、y₄…y_n为至少三组对称锚节点形成的垂直平分线的交点P的坐标值。

为进一步提高精度，在利用RSSI值不同的各组对称锚节点形成多条直线交点计算质心时，根据其RSSI值确定各交点的权重，进而计算出加权质心的坐标。

加权质心的坐标为：

$x=\frac{x_1{w}_1+x_2{w}_2+x_3{w}_3+...+x_n{w}_n}{w_1+w_2+w_3+...+w_n}---\left(6\right)$

$y=\frac{y_1{w}_1+y_2{w}_2+y_3{w}_3+...+y_n{w}_n}{w_1+w_2+w_3+...+w_n}---\left(7\right)$

式中w₁、w₂、w₃……w_n为各组对称锚点垂直平分线交点的权重，其大小判定以RSSI值为依据。若r₁>r₂>r₃>……>r_n，则其权重w₁>w₂>w₃>……>w_n。

输出待测节点的定位结果。

本发明的有益效果为：该方法能够实现对无线传感网络节点的精确定位，且不需要增加任何硬件设备，具有成本低、能耗小、方便等特点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的基于RSSI利用电磁波沿空间对称传播特性进行定位的算法 流程图；

图2为本发明的利用电磁波对称性传播的原理图；

图3为本发明的利用两组对称锚节点进行定位的示意图；

图4为本发明的至少三组对称锚节点进行加权质心定位的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的实施进行详细的描述，本例是为了更清晰说明本发明，而不是限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的基于RSSI利用电磁波沿空间对称传播特性进行定位的算法流程图；图2为本发明的利用电磁波对称性传播的原理图，图中A、B为锚节点，其发射的电磁波信号在空间中对称传播，到达A、B两点之间的垂直平分线Y上任一点P时，其电磁波信号强度必定相等；图3为本发明的利用两组对称锚节点进行定位的示意图，图中A、B、C、D为锚节点，其中A、B为一组对称锚节点，其垂直平分线为Y1；C、D为另一组对称锚节点，其垂直平分线为Y2，P为两条直线Y1、Y2的交点；图4为本发明的至少三组组对称锚节点垂直平分线交点加权质心定位的示意图。图中P(x1，y1，w1)、P(x2，y2、w2)、P(x3，y3，w3)、P(x4，y4、w4)、P(x5，y5、w5)为至少三组对称锚节点形成的垂直平分线的交点，P为这些交点的质心。

本发明提供的一种基于RSSI利用利用电磁波沿空间对称传播特性进行定位的新方法，包括以下步骤：

步骤一：确定无线传感网络定位区域、锚节点坐标及随机分布在该定位区域内的待测节点；

步骤二：待测节点通过接收锚节点周期性向周围广播的信息，测出锚节点的RSSI值，进行多次测量以提高其精确度，记录接收到的锚节点值及其位置参数；RSSI(A[x₁，y₁])＝r₁、RSSI(B[x₂，y₂]＝r₂、RSSI(C[x₃，y₃]＝r₃、……RSSI(M[x_m，y_m]＝r_m、RSSI(N[x_n，y_n]＝r_n；

步骤三：将测得的多个锚节点按RSSI值r₁、r₂、r₃、……r_n进行配对，找出RSSI值相等的两个锚节点，配成一组对称锚节点；如此反复，找出至少三组对称锚节点；

若存在r₁＝r₂，则r₁、r₂对应的锚节点A、B为一组对称锚节点；

若存在r₃＝r₄，则r₃、r₄对应的锚节点C、D为一组对称锚节点；

若存在r_m＝r_n，则r_m、r_n对应的锚节点M、N为一组对称锚节点；

在实际测量时要求至少找出2组对称锚节点，以使其两条垂直平分线相交，得到待测节点的位置。

步骤四：根据电磁波在空间中传播的对称性特性，待测节点必定位于已测出的一组对称锚节点的两个节点之间的垂直平分线Y上，当测出两组对称锚节点时，则两组对称锚节点的垂直平分线必定有交点P(x，y)，则此交点为待测节点的位置。

(1)一组对称锚节点的垂直平分线Y为

$Y=-\frac{x_2-x_1}{y_2-y_1}\[x-\frac{x_1+x_2}{2}\]+\frac{y_1+y_2}{2}$

式中x₁、y₁，x₂、y₂为对称锚节点A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)的坐标。Y为对称锚节点A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)的垂直平分线；

至少三组对称锚节点形成垂直平分线，记为Y1、Y2、Y3……Yn；

(2)两组对称锚节点形成的两条垂直平分线的交点P(x，y)为：

$x=\frac{b_2-b_1}{a_1-a_2}$

$y=\frac{a_1{b}_2-a_1{b}_1}{a_1-a_2}+b_1$

式中a₁、b₁，a₂、b₂为两组锚节点所形成的两条垂直平分线Y1＝a₁x+b₁，Y2＝a₂x+b₂的系数。

(3)当有至少三组对称锚节点形成的多条垂直平分线，可通过上述方法算出多个交点，记为：P(x₁，y₁)、P(x₂，y₂)、P(x₃，y₃)、P(x₄，y₄)、……P(x_n，y_n)。

当测出的对称锚节点有至少三组时，则对称锚节点的垂直平分线，有可能不相交于同一点，此时利用质心算法将多条垂直平分线的交点计算出这些交点的质心，则此质心位置即为待测节点的位置。

则其质心坐标为： $x=\frac{x_1+x_2+x_3+...+x_n}{n}$

$y=\frac{y_1+y_2+y_3+...+y_n}{n}$

式中x₁、x₂、x₃……x_n，y₁、y₂、y₃、y₄…y_n为至少三组对称锚节点形成的垂直平分线的交点P的坐标值。

步骤五：为进一步提高精度，在利用RSSI值不同的各组对称锚节点形成多条直线交点 计算质心时，根据其RSSI值确定各交点的权重，进而计算出含权重比例的质心。

加权质心坐标为：

$x=\frac{x_1{w}_1+x_2{w}_2+x_3{w}_3+...+x_n{w}_n}{w_1+w_2+w_3+...+w_n}$

$y=\frac{y_1{w}_1+y_2{w}_2+y_3{w}_3+...+y_n{w}_n}{w_1+w_2+w_3+...+w_n}$

式中w₁、w₂、w₃……w_n为各组对称锚点垂直平分线交点的权重，其大小判定以RSSI值为依据。若r₁>r₂>r₃>……>r_n，，则其权重w₁>w₂>w₃>……>w_n。

步骤六：待测节点的定位结果。

Claims (8)

1.一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：初始化网络，确定无线传感网络定位区域、锚节点坐标及随机分布在该定位区域内的待测节点；

步骤二：通过接收锚节点周期性向周围广播的信息，测出锚节点的RSSI值，记录接收到的锚节点值r及其位置参数(x，y)；

步骤三：找出至少一组对称锚节点；

步骤四：当只有一组对称锚点时，待测节点位于对称锚节点的垂直平分线上；当有两组对称锚节点时，则待测节点的位置是两组对称锚节点的垂直平分线的交点；当测出的对称锚节点有至少三组时，用质心算法计算出多条垂直平分线的交点的质心，此质心位置即为待测节点的坐标；

步骤五：输出待测节点的定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于，所述找出对称锚节点的方法是：将测得的所有锚节点按RSSI值进行配对，找出RSSI值相等的两个锚节点，配成对称锚节点。

3.根据权利要求2所述的一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于，所述对称锚节点通过以下方法来确定：

若存在r₁＝r₂，则r₁、r₂对应的锚节点A、B为一组对称锚节点；

若存在r₃＝r₄，则r₃、r₄对应的锚节点C、D为一组对称锚节点；

…………

若存在r_m＝r_n，则r_m、r_n对应的锚节点M、N为一组对称锚节点；

r₁、r₂、r₃、……r_n为锚节点的RSSI值。

4.根据权利要求1所述的一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于，所述一组对称锚节点的垂直平分线通过以下公式来计算：

式中x₁、y₁，x₂、y₂为一组对称锚节点A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)的坐标。

5.根据权利要求1所述的一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于：所述两组对称锚节点的垂直平分线的交点通过以下公式来计算：

式中a₁、b₁，a₂、b₂为两组锚节点所形成的两条垂直平分线Y1＝a₁x+b₁，Y2＝a₂x+b₂的系数。

6.根据权利要求1所述的一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于，所述至少三条垂直平分线的交点的质心坐标通过以下公式来计算：

式中x₁、x₂、x₃……x_n，y₁、y₂、y₃、y₄…y_n为至少三组对称锚节点形成的垂直平分线的交点P的坐标值。

7.根据权利要求1至6所述的任意一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于：述利用RSSI值不同的对称锚节点形成的多条直线交点计算质心时，根据其RSSI值确定各交点的权重，进而计算出加权质心的坐标。

8.根据权利要求7所述的一种利用电磁波对称传播特性的无线传感网络定位方法，其特征在于：

所述待测节点的加权质心的坐标通过以下公式来计算：

式中w₁、w₂、w₃……w_n为各交点的权重，其大小判定以RSSI值为依据，若r₁>r₂>r₃>……>r_n，则其权重w₁>w₂>w₃>……>w_n。