CN109041209A - 基于rssi的无线传感器网络节点定位误差优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法，其特点是：包括基于信号传输模型的参数调整机制、基于距离的误差补偿机制、三维节点定位。具有科学合理，适用性强，实时性好，低成本，能够适用于复杂环境，降低定位误差的等优点。

Description

基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法。

背景技术

节点定位技术是无线传感器网络中的核心技术之一，对传感器网络的性能有较大影响。为了使无线传感器网络节点定位精确，许多节点定位误差优化方法被提出。基于RSSI的定位误差优化方法通过分析测距阶段和定位阶段影响节点位置不精确的因素，在满足基于RSSI的定位方法的性能要求的基础上，对无线传感器网络节点定位误差进行优化。由于基于RSSI的定位方法的定位误差不可避免，因而研究节点定位误差优化方法是使节点位置更为精确的有效途径。

目前节点定位误差优化方法主要针对节点测距阶段和定位阶段。在测距阶段，未知节点先采集未知节点到锚节点间的接收信号强度，再利用对数-距离路径损耗模型能够得到未知节点到锚节点间的距离。在定位阶段，未知节点通过对自身所处的实际情况分析，选取合适的方法定位出未知节点的位置。现阶段的节点定位误差优化方法考虑了模型参数对测距误差的影响、测距误差对定位误差的影响等，结合节点所处的实际环境，提出许多误差优化方法，达到降低定位误差的目的，并且降低了成本，但是它依然存在一些问题，主要体现在：

(1)在测距过程中，对数-距离路径损耗模型中的路径损耗指数和锚节点参考距离的值的取值和周围环境有关，通常对应不同的环境取不同的经验值，取值单一化，但是在实际环境中，这些参数都是时变的，必须实时更新，而且由于受到诸多因素的影响，很难直接测量得到，这势必会导致较大的测距误差，从而影响定位误差，使得节点定位不精确；

(2)测距误差大多是由于反射、多径传播、非视距、天线增益等对传播损耗干扰产生的，这使RSSI测量值随机性波动比较大，尽管对RSSI值进行了抑制和处理，仍然不能得到较好的定位效果。而且由于RSSI测量值的随机性，导致个别测量值个体性凸显，整体性较差，这样会加大节点间测距误差；

(3)节点定位过程中，定位方法的选取直接关系到节点位置的精确程度。无线信道的不稳定造成了高斯噪声的随机性，因为实际环境相对复杂，噪声通常是时变的，这种情况会对最新的采集数据和之前陈旧的接收数据产生影响，二者对整体估计的共同干扰作用会由于他们的差异而产生不同。因而，这导致未知节点到锚节点间测量距离不精确，致使四边测量定位方法不能得到一个准确的未知节点位置信息，而是一个未知节点的估计位置，这必然会使节点存在定位误差。

发明内容

本发明的目的是，针对节点测距阶段的模型参选取单一化、节点测量值随机性和个体性问题，以及节点定位阶段的无法规避高斯噪声对节点定位的影响问题，提出一种科学合理，适用性强，实时性好，低成本，能够适用于复杂环境，降低定位误差的基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法。

本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法，其特征是：它包括基于信号传输模型的参数调整机制、基于距离的误差补偿机制、三维节点定位，

1)所述的基于信号传输模型的参数调整机制

在高斯随机噪声取均值为0的情况下，采用全面采集信息，动态更新参数，多个参数取平均的方法，即采集无线传感器网络监测区域内所有可以相互通信的锚节点信息，分别利用其中任意两对锚节点的位置信息对路径损耗指数和锚节点间参考路径损耗进行更新，更新公式为：

其中，P_Lμ(d_abμ)表示锚节点a_μ和锚节点b_μ间距离为d_abμ时所对应的路径损耗，P_Lμ(d_cdμ)表示锚节点c_μ和锚节点d_μ间距离为d_cdμ所对应的路径损耗，d₀是所选取的参考距离，通常取1m，其中，P_Lμ(d₀)表示d₀取1m时对应的路径损耗，直到所有信息更新完成后，对由式(1)计算出的所有路径损耗因子和锚节点间参考路径损耗分别计算平均值，得到适应当前实际环境的信号传输模型参数，对两个参数求平均的公式为：

其中，k₀为根据实际环境计算出的路径损耗指数，P_L0(d₀)为根据实际环境计算出的锚节点间路径损耗，λ为监测区域内可以相互通信的锚节点个数，为在λ个锚节点中任意选取两个锚节组合成一对锚节点的组合数，为在锚节点中任意选取两对锚节点组合成一组的组合数；

2)所述的基于距离的误差补偿机制

基于距离的误差补偿机制是采用误差系数更新的方法，即未知节点在得到RSSI测量值后，通过计算得到其自身和锚节点间的计算距离后，未知节点周期性检测其与监测区域内的所有可通信锚节点间的计算距离，选取距离未知节点最近的锚节点作为参考节点，计算锚节点间的误差，利用锚节点间的距离信息第一次更新误差系数和未知节点到锚节点间的计算距离，即为第一次测距误差补偿过程，再根据信号传输特性，利用未知节点和锚节点间第一次误差补偿后的距离信息，重新更新误差系数和未知节点到锚节点间的计算距离，即为第二次测距误差补偿过程，第一次误差补偿公式和第二次误差补偿公式分别为：

其中，n为未知节点通信区域内可用锚节点数量，d_oi为锚节点间实际距离，D_i是锚节点间计算距离，α_i1是第一次误差补偿时计算出的误差系数，d_i是未知节点到锚节点间计算距离，d_i1′是未知节点到锚节点间第一次误差补偿后的计算距离，α_i2是第二次误差补偿时计算出的误差系数，d_i2′是未知节点到锚节点间第二次误差补偿后的计算距离，通过式(3)和式(4)更新经过修正的计算距离，从而实现降低定位误差；

3)所述的三维节点定位

为了规避高斯随机噪声的影响，在节点定位阶段提出了一种三维节点定位，即未知节点通信区域内可定位锚节点中任意选取四个进行组合，通过分析锚节点及其区域所构成的位置关系，将其分别投影到三个坐标面，每个坐标面上分别计算四圆交点及它们的质心，再对三个坐标面的质心坐标求平均；根据信号传输特性，距离未知节点越远的锚节点，路径损耗较大，那么它对未知节点的影响应该比较小，提出新的权重因子，以距离倒数的和作为权重因子，既修正了节点间远近对未知节点坐标的影响，又通过为分母设置合适的幂值p,q,m,s，防止修正过度，权值设置及节点坐标为：

其中，G′(x,y,z)未知节点坐标，w_i为加权因子，d_Aic,d_Bic,d_Cic,d_Dic是经过两次误差补偿后的未知节点到锚节点间的计算距离，p,q,m,s是为分母设置的幂值，结合监测区域实际情况及式(6)进行设置。

本发明的基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法，在测距阶段初期，构建了基于距离的误差补偿机制，适应环境的路径损耗指数和锚节点间参考距离，由于路径损耗指数表示的是节点间路径损耗随着距离增加而变化的速率，所以它的取值是在一定范围内浮动的，这会影响最终的定位误差，考虑路径损耗指数的变化对定位误差的影响，再结合整个网络的可相互通信的锚节点信息，根据对数-距离路径损耗模型以及统计平均，计算适应当前环境的信号传输模型参数；在测距阶段后期，考虑了接收的RSSI测量值的随机性导致测距误差随机以及其对测量距离误差整体性的影响，提出了基于距离的误差补偿机制，计算两次补偿后的误差系数及未知节点到锚节点间计算距离，以此降低测距误差的随机性并且提升整体误差修正性能；在节点定位阶段，提出了三维节点定位，该三维节点定位规避了高斯噪声的影响下普通定位不适用问题，将以锚节点为圆心，计算距离为半径构成的四球位置关系分别投影到三个坐标面，再对坐标面上的经过投影后的形成的四圆位置关系进行计算，又考虑了节点间远近对未知节点坐标精度的影响，为未知节点设置了合适的权值，以此来降低定位误差。具有科学合理，适用性强，实时性好，低成本，能够适用于复杂环境，降低定位误差等优点

附图说明

图1为一种基于RSSI三维无线传感器网络定位误差优化方法流程图；

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法，它包括的内容有：基于信号传输模型的参数调整机制、基于距离的误差补偿机制和三维节点定位方法。

1)对于所述基于信号传输模型的参数调整机制，在高斯随机噪声取均值为0的情况下，采用全面采集信息，动态更新参数，多个参数取平均的方法，即采集无线传感器网络监测区域内所有可以相互通信的锚节点信息，分别利用其中任意两对锚节点的位置信息对路径损耗指数和锚节点间参考路径损耗进行更新，更新公式为：

其中，P_Lμ(d_abμ)表示锚节点a_μ和锚节点b_μ间距离为d_abμ时所对应的路径损耗，P_Lμ(d_cdμ)表示锚节点c_μ和锚节点d_μ间距离为d_cdμ所对应的路径损耗，d₀是所选取的参考距离，通常取1m，其中，P_Lμ(d₀)表示d₀取1m时对应的路径损耗。直到所有信息更新完成后，对由式(1)计算出的所有路径损耗因子和锚节点间参考路径损耗分别计算平均值，得到适应当前实际环境的信号传输模型参数，对两个参数求平均的公式为：

其中，k₀为根据实际环境计算出的路径损耗指数，P_L0(d₀)为根据实际环境计算出的锚节点间路径损耗，λ为监测区域内可以相互通信的锚节点个数，为在λ个锚节点中任意选取两个锚节组合成一对锚节点的组合数，为在锚节点中任意选取两对锚节点组合成一组的组合数。

2)对于所述基于距离的误差补偿机制，采用误差系数更新的方法，即未知节点在得到RSSI测量值后，通过计算得到其自身和锚节点间的计算距离后，未知节点周期性检测其与监测区域内的所有可通信锚节点间的计算距离，选取距离未知节点最近的锚节点作为参考节点，计算锚节点间的误差，利用锚节点间的距离信息第一次更新误差系数和未知节点到锚节点间的计算距离，即为第一次测距误差补偿过程，再根据信号传输特性，利用未知节点和锚节点间第一次误差补偿后的距离信息，重新更新误差系数和未知节点到锚节点间的计算距离，即为第二次测距误差补偿过程，第一次误差补偿公式和第二次误差补偿公式分别为：

其中，n为未知节点通信区域内可用锚节点数量，d_oi为锚节点间实际距离，D_i是锚节点间计算距离，α_i1是第一次误差补偿时计算出的误差系数，d_i是未知节点到锚节点间计算距离，d_i1′是未知节点到锚节点间第一次误差补偿后的计算距离，α_i2是第二次误差补偿时计算出的误差系数，d_i2′是未知节点到锚节点间第二次误差补偿后的计算距离，通过式(3)和式(4)更新经过修正的计算距离，从而实现降低定位误差。

3)对于所述的三维节点定位，是为了规避高斯随机噪声的影响，在节点定位阶段提出了一种三维节点定位，即未知节点通信区域内可定位锚节点中任意选取四个进行组合，通过分析锚节点及其区域所构成的位置关系，将其分别投影到三个坐标面，每个坐标面上分别计算四圆交点及它们的质心，再对三个坐标面的质心坐标求平均；根据信号传输特性，距离未知节点越远的锚节点，路径损耗较大，那么它对未知节点的影响应该比较小，提出新的权重因子，以距离倒数的和作为权重因子，既修正了节点间远近对未知节点坐标的影响，又通过为分母设置合适的幂值p,q,m,s，防止修正过度，权值设置及节点坐标为：

其中，G′(x,y,z)未知节点坐标，w_i为加权因子，d_Aic,d_Bic,d_Cic,d_Dic是经过两次误差补偿后的未知节点到锚节点间的计算距离，p,q,m,s是为分母设置的幂值，结合监测区域实际情况及式(6)进行设置。

本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

本发明的具体实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于RSSI的无线传感器网络节点定位误差优化方法，其特征是：它包括基于信号传输模型的参数调整机制、基于距离的误差补偿机制、三维节点定位，

1)所述的基于信号传输模型的参数调整机制

在高斯随机噪声取均值为0的情况下，采用全面采集信息，动态更新参数，多个参数取平均的方法，即采集无线传感器网络监测区域内所有可以相互通信的锚节点信息，分别利用其中任意两对锚节点的位置信息对路径损耗指数和锚节点间参考路径损耗进行更新，更新公式为：

其中，P_Lμ(d_abμ)表示锚节点a_μ和锚节点b_μ间距离为d_abμ时所对应的路径损耗，P_Lμ(d_cdμ)表示锚节点c_μ和锚节点d_μ间距离为d_cdμ所对应的路径损耗，d₀是所选取的参考距离，通常取1m，其中，P_Lμ(d₀)表示d₀取1m时对应的路径损耗，直到所有信息更新完成后，对由式(1)计算出的所有路径损耗因子和锚节点间参考路径损耗分别计算平均值，得到适应当前实际环境的信号传输模型参数，对两个参数求平均的公式为：

其中，k₀为根据实际环境计算出的路径损耗指数，P_L0(d₀)为根据实际环境计算出的锚节点间路径损耗，λ为监测区域内可以相互通信的锚节点个数，为在λ个锚节点中任意选取两个锚节组合成一对锚节点的组合数，为在锚节点中任意选取两对锚节点组合成一组的组合数；

2)所述的基于距离的误差补偿机制

基于距离的误差补偿机制是采用误差系数更新的方法，即未知节点在得到RSSI测量值后，通过计算得到其自身和锚节点间的计算距离后，未知节点周期性检测其与监测区域内的所有可通信锚节点间的计算距离，选取距离未知节点最近的锚节点作为参考节点，计算锚节点间的误差，利用锚节点间的距离信息第一次更新误差系数和未知节点到锚节点间的计算距离，即为第一次测距误差补偿过程，再根据信号传输特性，利用未知节点和锚节点间第一次误差补偿后的距离信息，重新更新误差系数和未知节点到锚节点间的计算距离，即为第二次测距误差补偿过程，第一次误差补偿公式和第二次误差补偿公式分别为：

其中，n为未知节点通信区域内可用锚节点数量，d_oi为锚节点间实际距离，D_i是锚节点间计算距离，α_i1是第一次误差补偿时计算出的误差系数，d_i是未知节点到锚节点间计算距离，d_i1′是未知节点到锚节点间第一次误差补偿后的计算距离，α_i2是第二次误差补偿时计算出的误差系数，d_i2′是未知节点到锚节点间第二次误差补偿后的计算距离，通过式(3)和式(4)更新经过修正的计算距离，从而实现降低定位误差；

3)所述的三维节点定位

为了规避高斯随机噪声的影响，在节点定位阶段提出了一种三维节点定位，即未知节点通信区域内可定位锚节点中任意选取四个进行组合，通过分析锚节点及其区域所构成的位置关系，将其分别投影到三个坐标面，每个坐标面上分别计算四圆交点及它们的质心，再对三个坐标面的质心坐标求平均；根据信号传输特性，距离未知节点越远的锚节点，路径损耗较大，那么它对未知节点的影响应该比较小，提出新的权重因子，以距离倒数的和作为权重因子，既修正了节点间远近对未知节点坐标的影响，又通过为分母设置合适的幂值p,q,m,s，防止修正过度，权值设置及节点坐标为：

其中，G′(x,y,z)未知节点坐标，w_i为加权因子，d_Aic,d_Bic,d_Cic,d_Dic是经过两次误差补偿后的未知节点到锚节点间的计算距离，p,q,m,s是为分母设置的幂值，结合监测区域实际情况及式(6)进行设置。