CN104965193A - 一种基于网格加权的无线移动终端rssi定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，首先对传感器分布区域建立信标节点网络，细化未知节点分布区间，接着，遍历所有信标节点相对于未知节点的RSSI的值，取RSSI最大的4个值所在的区域作为定位子网格，并依据RSSI中对数距离衰减模型，求得各已知信标节点到未知节点的距离，然后依据所求距离及信标点坐标画圆，分情况求得相邻两圆方格内的交点，得到未知节点所在范围，最后根据已知信标节点接收到的信号强度确定权重系数，通过加权操作完成未知节点的定位。本发明有效解决了传统三边定位法的无解问题，进一步减小了定位误差，保证了定位的精度，同时也能满足各种无线传感器网络分布模型，具有一定的便捷性。

Description

一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域的方法，尤其是一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法。

背景技术

为了方便服务器端获得更全面的数据，如移动终端不同位置数据采集效果、移动终端的通信信号覆盖范围、不同位置移动终端的通信误码率和丢包率等，需要针对特定位置的移动终端进行分析，所以需要对多个移动终端进行定位。常见的无线定位方法有很多种，按照定位方式的不同，主要分为测距型定位方法和非测距型定位方法。测距型定位方法在测量精度和信标节点数量方面都有较大优势，常用的测距型定位方法包括TOA(time ofarrival，到达时间)、TDOA(time difference of arrival，到达时间差)、AOA(angle of arrival，到达角度)、RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度)四种。

经对现有技术文献的检索发现，专利申请号为201410415930.3，提出了一种基于无线传感网的节点定位RSSI方法的改进(以下称改进RSSI方法)，相对于其它三种方法(TOA、TDOA、AOA)而言，基于RSSI的测距主要使用RF信号，因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术，对硬件要求不高，同时也比较容易实现，但是信号强度很容易受到周围环境的影响，为了解决RSSI测距误差较大的问题，改进RSSI方法通过未知节点反馈的握手信号的数据，调整发送节点不同的信号频率，根据所得数据进行误差调整。

经检索还发现，专利申请号为200910045004.0的中国专利，提出了无线传感器网络中基于概率加权的多目标定位方法，其过程是：对传感器网络分布的平面区域作网格划分，并依据网格与传感器节点的位置关系建立网格概率加权模型，传感器节点对目标进行侦测，并按照概率加权模型赋予各个网格一定的权值，每个网格对不同传感器节点所赋予该网格地权值求和，权值之和超过一定门限的网格所在坐标，即为目标坐标，从而实现目标定位。

以上两种方法，前者将RSSI测距结合三边测量法，而三边测量法在理想状态下才能算出未知节点的位置，很大可能性会导致三个信标节点所在圆没有统一交点，且大多数情况下测得的DI值都存在误差，必须通过各种补偿、约进的方法才能获得最佳节点坐标；后者虽然避免了分布式多目标定位中常见的累积误差问题，但是限定了传感器网络的分布模式，处理器必须存储每一个网格的对应权值之和，灵活性不强。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，使其有效解决了传统三边定位法的无解情况问题，同时利用RSSI中对数距离衰减模型动态配置加权系数，进一步减小了定位误差，保证了定位的精度，同时也能满足多种多样的无线传感器网络分布模型。

一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，无线移动网络包括已知节点、未知节点、移动终端，所述方法包括以下步骤：

步骤1)建立信标节点网络，细化未知节点分布区间；

步骤2)遍历所有信标节点的RSSI的值，取RSSI最大4个值所在的区域作为定位子网格，并依据RSSI中对数距离衰减模型，求得各已知信标节点到未知节点的距离；

步骤3)计算未知节点所在范围，根据已知信标节点接收到的信号强度确定权重系数，通过加权操作完成未知节点定位。

较佳地，步骤1)中建立信标节点网络，必须涵盖所有的传感器网络节点，且定位精度与传感器网络分布有密切关系。

较佳地，步骤2)中RSSI值表征了信标节点接收到的未知节点的信号强度，而对数距离衰减模型的建立过程为：首先通过无线电磁信号在传播过程中的波导效应，建立传输路径损耗模型为其中P(d₀)表示参考位置的信号强度大小，d₀表示参考位置到发射点的距离，P(d)表示实际接收点的信号强度大小，d表示实际位置到发射点的距离，n表示介质损耗系数；其次通过单位转换，且由于电磁波在介质中传播路径变，传输过程复杂，实际传输损耗为一个随机过程，需要附加一个均值为0的高斯分布随机控制变量X_σ，则对数距离衰减模型为P(d)＝P(d₀)-10nlog(d÷d₀)+X_σ，该模型建立了未知节点的信号强度P与距离d之间的内存联系，是RSSI定位方法的理论依据。

较佳地，步骤2)中，认为所有的信标节点均可近似看成处于同一平面内，建立二维平面内定位模型，而不需要考虑三维空间内的定位模型；认为传感器所在区域为均匀介质，且由于RSSI强度容易受到传输环境的影响，不同的环境中的信号衰减系数n均不相同，需要进行详细的校调，通过测量多组不同位置的接收器的RSSI值，利用最小二乘法进行拟合，确定此环境下的信号衰减系数n和参考强度P(d₀)的大小；认为所采用的信标节点装置具有一致性，忽略自身差异而造成的信号强度测量差异。

较佳地，步骤3)中，分别以各信标节点坐标为圆心，以A、B、C、D各点到未知节点距离为半径画圆，方格内交点所构成的区域EFGH即为未知节点所在范围。

较佳地，构建未知节点范围时，确定交点时根据相邻圆相交、相切、相离的关系，建立相应的交点坐标表达式，求得交点或虚拟交点。

较佳地，步骤3)中根据A、B、C、D信标节点接收到的信号强度R_a、R_b、R_c、R_d确定权重系数：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1=\frac{R_a+R_b}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\λ}}_2=\frac{R_b+R_c}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\λ}}_3=\frac{R_c+R_d}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\λ}}_4=\frac{R_d+R_a}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\end{array}\right.$

对E、F、G、H坐标分别进行加权，即可求出未知节点S的坐标，完成了未知节点的定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过结合网格加权与RSSI方法，通过计算未知节点范围解决了信标节点所在圆无统一交点的情况，同时在定位过程中只需使用4个信标节点进行计算，降低了计算量和网络通信量；

本发明中的网格权重计算是一种动态计算，对不同的无线传感器网络分布均具有适用性，应用到不同传输环境中只需重新校调信号衰减系数，增加了便捷性。

本发明利用加权系数配置，进一步减小了定位误差，保证了定位的精度。

附图说明

图1为本发明实施例的工作流程图。

图2为本发明实施例的网格信标节点示意图。

图3为本发明实施例的未知节点处于子网格交界处示意图。

图4为本发明实施例的RSSI测距示意图。

图5为本发明实施例的两圆相交求解示意图。

图6为本发明实施例的两圆相切求解示意图。

图7为本发明实施例的两圆相离求解示意图。

图8为本发明实施例的四圆两两相交求解示意图。

具体实施方式

下面结合附图及测试实例，对本发明做进一步说明：本测试实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的测试方式、操作过程及结果说明，但本发明的保护范围不限于下述实例。

参见图1，本发明实施例包括如下步骤。

步骤1，在传感器分布网络区域建立信标节点网格，如图2所示，信标节点均匀排布，相互之间形成正交网格，且每个信标节点的坐标已知。建立网格的是为了细化未知节点的分布区间，以提高定位的精度。

步骤2，未知节点发送无线电磁波信号，通过遍历所有信标节点的RSSI的值，取RSSI最大4个值所在的区域作为定位子网格。如图3，如果存在多个子网格，说明未知节点在子网格交界处，则任取一个子网格计算均可。

步骤3，设未知节点所在网格的端点坐标分别为A、B、C、D，依据RSSI中对数距离衰减模型P(d)＝P(d₀)-10nlog(d÷d₀)+X_σ，其中P(d₀)表示参考位置的信号强度大小，d₀表示参考位置到发射点的距离，P(d)表示实际接收点的信号强度大小，d表示实际位置到发射点的距离，n表示介质损耗系数，X_σ是均值为0的高斯分布随机控制变量。不同的传输环境具有不同的信号衰减系数n，通过测量多组不同位置的接收器的RSSI值，利用最小二乘法进行拟合，确定此环境下的信号衰减系数n和参考强度P(d₀)的大小。如图4所示，求解A、B、C、D各点到未知节点的距离，不妨分别设为d₁、d₂、d₃、d₄。

步骤4，设A、B点坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，网格边长为D。则以A点为圆心，以d₁为半径可以确立圆A，以B点为圆心，以d₂为半径可以确立圆B。正常情况下，根据三角形边长关系，存在d₁+d₂≥D关系，即两圆会相交或者相切。但是由于RSSI值测量会存在误差，所以计算出的d₁和d₂也会存在误差，存在d₁+d₂＜D的情况。为了提高方法适应性，根据d₁+d₂的值和D的值的大小关系，可以分为如下3情况进行处理。

(1)当d₁+d₂＞D时，如图5所示，两圆为相交关系，会有两个交点，我们取隶属于网格内的一组解，记为E点。

根据上述两圆相交的几何关系，可以建立如下方程组，求解方程组即可得到两圆位于方格内的交点E点的坐标值。

$\left\{\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2={d_1}^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2={d_2}^2\\ y_1=y_2\\ y<y_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

(2)当d₁+d₂＝D时，如图6所示，两圆为相切关系，两圆有且仅有一个交点，我们将唯一的交点记为E点。

根据上述两圆相切的几何关系，由于d₁+d₂＝D，则两圆交点E点的坐标值可以进行如下表示。

$\{\begin{array}{c}x=x_1+d_1\\ y=y_1\end{array}---\left(2\right)$

(3)当d₁+d₂＜D时，如图7所示，两圆为相离关系，即两圆没有交点。为了便于方法实现，我们取两圆和网格交点的所组成的线段的中点为E点，称为两圆的“虚拟交点”。

根据上述两圆相离的几何关系，由于d₁+d₂＜D，则两圆的虚拟交点E点的坐标值可以进行如下表示。

$\{\begin{array}{c}x=\frac{2x_1+D+d_1-d_2}{2}\\ y=y_1\end{array}---\left(3\right)$

步骤5，利用上述方法，依次求取圆B与圆C，圆C与圆D，圆D与圆A的方格内的交点，分别为E、F、G、H点，如图8所示。则求取的E、F、G、H点构成一个四边形，我们认为此四边形EFGH为未知节点所在范围，E、F、G、H坐标分别记作(x₁',y₁')、(x₂',y₂')、(x₃',y₃')、(x₄',y₄')。

步骤6我们认为所求未知节点落在四边形EFGH内部，依据步骤5求得的E、F、G、H坐标(x₁',y₁')、(x₂',y₂')、(x₃',y₃')、(x₄',y₄')，将所求点S(x,y)表示如下：

$\{\begin{array}{c}x={\mathrm{\&lambda;}}_1{x_1}^{\&prime;}+{\mathrm{\&lambda;}}_2{x_2}^{\&prime;}+{\mathrm{\&lambda;}}_3{x_3}^{\&prime;}+{\mathrm{\&lambda;}}_4{x_4}^{\&prime;}\\ y={\mathrm{\&lambda;}}_1{y_1}^{\&prime;}+{\mathrm{\&lambda;}}_2{y_2}^{\&prime;}+{\mathrm{\&lambda;}}_3{y_3}^{\&prime;}+{\mathrm{\&lambda;}}_4{y_4}^{\&prime;}\end{array}---\left(4\right)$

其中，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄为权重系数，且λ₁+λ₂+λ₃+λ₄＝1。

步骤7，根据A、B、C、D信标节点接收到的信号强度确定权重系数，设A、B、C、D各点接收到的信号强度分别为R_a、R_b、R_c、R_d，若R_a和R_b较大，则依据对数衰减模型P(d)＝P(d₀)-10nlog(d÷d₀)+X_σ，可得点S距离A、B点较近，即距离E点较近，因此R_a和R_b的值反映了λ₁的大小，使用归一化思想，确定λ₁、λ₂、λ₃、λ₄，构造如下权值：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_1=\frac{R_a+R_b}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_2=\frac{R_b+R_c}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_3=\frac{R_c+R_d}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_4=\frac{R_d+R_a}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将公式(5)中的λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的值代入公式(4)即可求出未知节点S的坐标，即可完成未知节点的定位。

测试实例

本次测试环境是在一足球场上模拟进行的，测试所使用到的设备包括便携式计算机1台、手持移动终端1个、信标路由节点4个、协调器节点1个、锂电池若干，具体测试步骤如下：

步骤1选择两个无线节点，一个作为发射端，一个作为接收端，分别测量距离1m、5m、10m……40m、45m、50m处的RSSI值，之后使用最小二乘法进行拟合，确定对数衰减模型的具体参数。

步骤2将信标节点布设成正交网格状，网格间距为50m，不妨设其坐标分别为(0,0)、(0,50)、(50,0)、(50,50)，并将未知坐标的手持移动终端放置于网格内部，并测量其实际坐标。

步骤3利用RSSI模块，分别测量信标节点接收到的移动终端发射的信号强度大小。之后将全部的RSSI值传输到上位机上，上位机通过(1)中所述方式进行具体数据处理与定位。

步骤4更换移动终端的位置，重复多组实验，统计定位结果。

本次一共进行了9次不同位置的测试，测试完成后，计算绝对误差和相对误差，得到如下表的统计结果：

移动终端定位测试(单位：米)

测试结果表明，本次系统在不额外增加传感器的条件下，使用低成本的内置RSSI模块，实现了手持移动终端的定位功能。根据测试的9组数据，系统定位的平均绝对误差1.52米，平均相对误差为4.31％，满足实际应用需求。

Claims (9)

1.一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，无线移动网络包括已知节点、未知节点、移动终端，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)建立信标节点网络，细化未知节点分布区间；

步骤2)遍历所有信标节点的RSSI的值，取RSSI最大4个值所在的区域作为定位子网格，并依据RSSI中对数距离衰减模型，求得各已知信标节点到未知节点的距离；

步骤3)计算未知节点所在范围，根据已知信标节点接收到的信号强度确定权重系数，通过加权操作完成未知节点定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于：RSSI定位方法指的是利用接收到的信号强度来计算距离的一种方法；已知的信标节点用于数据转发，提高无线网络覆盖范围；未知节点通过握手信号确认自己接受的信号强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于步骤1)中信标节点均匀排布，相互之间形成正交网格，且每个信标节点的坐标已知。

4.根据权利要求1所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于步骤2)中RSSI中对数距离衰减模型为：P(d)＝P(d₀)-10nlog(d÷d₀)+X_σ，其中P(d₀)表示参考位置的信号强度大小，d₀表示参考位置到发射点的距离，P(d)表示实际接收点的信号强度大小，d表示实际位置到发射点的距离，n表示介质损耗系数，X_σ是均值为0的高斯分布随机控制变量。

5.根据权利要求4所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于不同的传输环境具有不同的信号衰减系数n，通过测量多组不同位置的接收器的RSSI值，利用最小二乘法进行拟合，确定此环境下的信号衰减系数n和参考强度P(d₀)的大小。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于步骤2)中记未知节点所在网格的端点坐标分别为A、B、C、D，各点到未知节点的距离计算为d₁、d₂、d₃、d₄。

7.根据权利要求6所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于步骤3)中分别以各信标节点坐标为圆心，以A、B、C、D各点到未知节点距离为半径画圆，方格内交点所构成的区域EFGH即为未知节点所在范围。

8.根据权利要求7所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于构建未知节点范围时，确定交点时根据相邻圆相交、相切、相离的关系，建立相应的交点坐标表达式，求得交点或虚拟交点。

9.根据权利要求8所述的一种基于网格加权的无线移动终端RSSI定位方法，其特征在于步骤3)中根据A、B、C、D信标节点接收到的信号强度R_a、R_b、R_c、R_d确定权重系数：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_1=\frac{R_a+R_b}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_2=\frac{R_b+R_c}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_3=\frac{R_c+R_d}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_4=\frac{R_d+R_a}{2(R_a+R_b+R_c+R_d)}\end{array}\right.$

对E、F、G、H坐标分别进行加权，即求出未知节点S的坐标，完成了未知节点的定位。