JP7150229B1 - ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め方法 - Google Patents

ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め方法を提示する。【解決手段】ステップ１：第１計算フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの真値を取得、第２計算フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの実際の測定値を取得する測定モデル構築するステップと、ステップＳ２：近似値に基づいて重み行列Ｃ，Ｓを算出し、重み行列Ｃ，Ｓによってソースノードの位置を算出するＷＬＳ法によるソースノードの近似値を算出するするステップと、ステップＳ３：ソースノードの位置に基づいて、各アンカーと各評価関数の標準偏差を計算し、測定値のノイズ値を算出するするステップと、ステップＳ４：標準偏差とノイズ値を各アンカーおよび各評価関数の重みとして用いるするステップと、を含む。この方法の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）は、既存のＲＳＳ／ＡｏＡハイブリッド位置決め方法よりも優れている。【選択図】なし

Description

本発明は、目標位置決め方法の分野に関し、具体的には、ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無
線センサネットワークの目標位置決め方法に関する。
近年,位置決め方法は無線センサネットワークにおいてますます重要な役割を果たしてい
る。ワイヤレスセンサネットワークは、センサからなるワイヤレスネットワークである。
ワイヤレスセンサネットワークは、既知の位置にあるアンカーと、未知の位置にあるター
ゲットとから構成される。ターゲットの位置はアンカーの位置と無線信号によって決定さ
れる。一般的な無線信号は、到着時間(TOA)、到着時差(TDOA)、到着角(AOA)、および受信
信号強度(RSS)を含む。距離ベースの混合位置決めは、4つの無線信号の任意の組合せであ
ってもよい。センサハードウェアによってどの測定方法を採用するかを決定する。TOAとT
DOAは測定中の正確なタイミング同期に厳しい要求があるため，コストが大幅に増加する
。従って，AOA／RSS混合位置決めは，低コスト測定のための魅力的な解決策を提供する。
RSS/AoA測定に基づいてソースノードの位置を正確に計算する。しかし，RSS／AoA測定誤
差により，位置決め問題は最適化問題となる。RSS／AoA混合測定に基づく目標位置推定は
，測定雑音を克服することが困難な非凸系最適化問題である。半定計画（SDP）と二次テ
ーパ計画（SOCP）はこの問題を効果的に解決できるが，それらの複雑さはあまりにも大き
い。ソースノードとアンカー間の距離だけで変化するウェイトは、最適なウェイトではな
い。ECWLS法は重みを変え，まず最小二乗法を用いて目標の近似位置を計算し，次に近似
位置から近似誤差共分散行列を計算する。近似誤差共分散行列を重みとして使用する。ア
ンカー数の制限により,測定ノイズ分散の推定に大きな誤差がある。この方法は、推定値
の逆数に直接重みを乗算し、誤差を低減する。TELS法はAoA測定に基づいている。まずLS
を用いてソースノードの概略位置を計算し,次に重みとして分散を計算する。上記2つの方
法は,評価関数項のノイズ分散の影響のみを考慮するが,測定ノイズ値の影響は考慮しない
。ノイズ標準差が同じである場合、ノイズ値が小さいほど重みが大きくなる。
現状では、SR‐WLS法はアルゴリズムの複雑性が高い。WLS法では距離に関係する重みだけ
が最適ではない。ECWLS法では，アンカーノード数が限られているため，測定雑音分散の
推定が不正確であり，最終精度に影響を与える。TELS法では，測定ノイズの分散が同じで
あると仮定し，重みに対する測定ノイズの影響は考慮しない。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］中国特許公開第109342993号公報
本発明が解決する問題は、複雑さを増大させることなく、より良好な性能を有する無線セ
ンサネットワークターゲット位置決め方法をどのように提供するかである。
上記問題を解決するために、本発明に係るＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネット
ワークの目標位置決め方法は、
ステップＳ１：第１計算フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの真値を取得、第２計算
フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの実際の測定値を取得する測定モデル構築するス
テップと、
ステップＳ２：近似値に基づいて重み行列Ｃ，Ｓを算出し、重み行列Ｃ，Ｓによってソー
スノードの位置を算出するＷＬＳ法によるソースノードの近似値を算出するするステップ
と、
ステップＳ３：ソースノードの位置に基づいて、各アンカーと各評価関数の標準偏差を計
算し、測定値のノイズ値を算出するするステップと、
ステップＳ４：標準偏差とノイズ値を各アンカーおよび各評価関数の重みとして用いるす
るステップと、
を含む。
さらに、ステップＳ１における第１計算フローのプリセットは、ステップＳ１１とステッ
プＳ１２とを含み、
Ｓ１１：ＲＳＳの真値は式１により示し、
[式１]
Figure 0007150229000001
Ｓ１２：ＡｏＡの真値は式２により示し、
[式２]
Figure 0007150229000002
Figure 0007150229000003
ただし、
Figure 0007150229000004
，
Figure 0007150229000005
はＮのアンカーノード、
Figure 0007150229000006
は既知位置のソースノード、
Figure 0007150229000007
はソースノードと第ｉのアンカーノードの距離、
Figure 0007150229000008
は方位角の真値、
Figure 0007150229000009
はピッチ角の真値をそれぞれ示す。
さらに、ステップＳ１における第２計算フローのプリセットはステップＳ１３を含み、
ステップＳ１３：実際測定誤差を加味すると、ＲＳＳとＡｏＡの実際測定値は式３により
示し、
[式３]
Figure 0007150229000010
Figure 0007150229000011
Figure 0007150229000012
；
ただし、
Figure 0007150229000013
，
Figure 0007150229000014
，
Figure 0007150229000015
はそれぞれ受信パワー、方位角、ピッチ角の独立ゼロ平均のガウスノイズを示す。
さらに、重み行列Ｃは、各アンカーと各評価関数の分散に相関し、
球座標
Figure 0007150229000016
は
Figure 0007150229000017
によって
Figure 0007150229000018
に対して示され、単位スペクル
Figure 0007150229000019
は実際測定のＲＳＳ値により定義され、式１、式２および式３は式４に変換でき、
[式４]
Figure 0007150229000020
Figure 0007150229000021
Figure 0007150229000022
；
Figure 0007150229000023
、
Figure 0007150229000024
，
Figure 0007150229000025
=1とすると、一次テイラー展開をして、
Figure 0007150229000026
,
Figure 0007150229000027
,
Figure 0007150229000028
は式５に示し、
[式５]
Figure 0007150229000029
Figure 0007150229000030
Figure 0007150229000031
；
式５の分散は式６となり、
[式６]
Figure 0007150229000032
である。
さらに、重み行列Ｃは、各アンカーおよび各評価関数の標準偏差およびノイズ値の影響を
反映し、式６は等価的に式７に表し、
[式７]
Figure 0007150229000033
各アンカーと各評価関数項目の重みは分散に反比例し、重み行列Ｃは式８により表し、
[式８]
Figure 0007150229000034
である。
さらに、式８の各項の重みを
Figure 0007150229000035
乗算し、最終的な推定値を変更せずに式９により表し、
[式９]
Figure 0007150229000036
である。
さらに、重み行列Sは
Figure 0007150229000037
,
Figure 0007150229000038
,
Figure 0007150229000039
に関連し、
Figure 0007150229000040
,
Figure 0007150229000041
,
Figure 0007150229000042
は
Figure 0007150229000043
により式１０に示し、
[式１０]
Figure 0007150229000044
Figure 0007150229000045
Figure 0007150229000046
；
重み行列Ｓは、式１１により示し、
[式１１]
Figure 0007150229000047
である。
さらに、ＷＬＳ法によってソースノードの位置は式１２により計算し、
[式１２]
Figure 0007150229000048
そのうち、
Figure 0007150229000049
，
Figure 0007150229000050
，
Figure 0007150229000051
，
Figure 0007150229000052
，
Figure 0007150229000053
，
Figure 0007150229000054
，
Figure 0007150229000055
，
Figure 0007150229000056
，
Figure 0007150229000057
；
重み行列ＣとＳの最終的な推定値は式１３により計算し、
[式１３]
Figure 0007150229000058
である。
本発明は、上記の技術的方案を採用し、少なくとも以下の有益な効果を含む。
誤差分散と測定ノイズの加重最小二乗（ＥＮＷＬＳ）に基づくＲＳＳ／ＡｏＡ混合位置決
め法。この方法は、計算精度が高いだけでなく、計算の複雑さを大幅に軽減させる。加重
最小二乗法（ＷＬＳ）により、複雑さを増すことなく計算精度が向上する。測定モデルが
線形化されると、最小二乗（ＬＳ）法を使用して位置を推定するほうが実用的になる。こ
の方法は、三次元無線センサネットワークに基づいて、複雑さを増すことなく高精度な位
置決めを実現する。１次テイラー近似を使用して線形ＷＬＳ誤差を近似するとともに、Ｗ
ＬＳ法を用いてターゲットの位置を推定する。そして、線形ＷＬＳ誤差分散とセンサノー
ドの測定ノイズ値を推定して重み行列を決定する。この方法の二乗平均平方根誤差（ＲＭ
ＳＥ）は、既存のＲＳＳ／ＡｏＡハイブリッド位置決め方法よりも優れている。
本発明の実施形態に係るＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め方法のフローチャートである。 本発明の実施形態に係ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め方法のアンカーノードとソースノードの三次元位置模式図である。
本発明の上記目的、特徴及び利点をより明確に理解するために、以下、図面を用いて本発
明の具体的な実施形態について詳細に説明する。
実施例
ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め(確定)方法は、図１
に示すように、下記のステップを含む。
ステップＳ１：第１計算フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの真値を取得、第２計算
フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの実際の測定値を取得する測定モデル構築するス
テップと、
ステップＳ２：近似値に基づいて重み行列Ｃ，Ｓを算出し、重み行列Ｃ，Ｓによってソー
スノードの位置を算出するＷＬＳ法によるソースノードの近似値を算出するするステップ
と、
ステップＳ３：ソースノードの位置に基づいて、各アンカーと各評価関数の標準偏差を計
算し、測定値のノイズ値を算出するするステップと、
ステップＳ４：標準偏差とノイズ値を各アンカーおよび各評価関数の重みとして用いるす
るステップと、を含む。
図２に示すように、ステップＳ１における第１計算フローのプリセットは、ステップＳ１
１とステップＳ１２とを含み、
Ｓ１１：ＲＳＳの真値は式１により示し、
[式１]
Figure 0007150229000059
Ｓ１２：ＡｏＡの真値は式２により示し、
[式２]
Figure 0007150229000060
Figure 0007150229000061
ただし、
Figure 0007150229000062
，
Figure 0007150229000063
はＮのアンカーノード、
Figure 0007150229000064
は既知位置のソースノード、
Figure 0007150229000065
はソースノードと第ｉのアンカーノードの距離、
Figure 0007150229000066
は方位角の真値、
Figure 0007150229000067
はピッチ角の真値をそれぞれ示す。
さらに、ステップＳ１における第２計算フローのプリセットはステップＳ１３を含み、
ステップＳ１３：実際測定誤差を加味すると、ＲＳＳとＡｏＡの実際測定値は式３により
示し、
[式３]
Figure 0007150229000068
Figure 0007150229000069
Figure 0007150229000070
；
ただし、
Figure 0007150229000071
，
Figure 0007150229000072
，
Figure 0007150229000073
はそれぞれ受信パワー、方位角、ピッチ角の独立ゼロ平均のガウスノイズを示す。
さらに、重み行列Ｃは、各アンカーと各評価関数の分散に相関し、
球座標
Figure 0007150229000074
は
Figure 0007150229000075
によって
Figure 0007150229000076
に対して示され、単位スペクル
Figure 0007150229000077
は実際測定のＲＳＳ値により定義され、式１、式２および式３は式４に変換でき、
[式４]
Figure 0007150229000078
Figure 0007150229000079
Figure 0007150229000080
；
Figure 0007150229000081
、
Figure 0007150229000082
，
Figure 0007150229000083
=1とすると、一次テイラー展開をして、
Figure 0007150229000084
,
Figure 0007150229000085
,
Figure 0007150229000086
は式５に示し、
[式５]
Figure 0007150229000087
Figure 0007150229000088
Figure 0007150229000089
；
式５の分散は式６となり、
[式６]
Figure 0007150229000090
である。
さらに、重み行列Ｃは、各アンカーおよび各評価関数の標準偏差およびノイズ値の影響を
反映し、式６は等価的に式７に表し、
[式７]
Figure 0007150229000091
各アンカーと各評価関数項目の重みは分散に反比例し、重み行列Ｃは式８により表し、
[式８]
Figure 0007150229000092
である。
さらに、式８の各項の重みを
Figure 0007150229000093
乗算し、最終的な推定値を変更せずに式９により表し、
[式９]
Figure 0007150229000094
である。
さらに、重み行列Sは
Figure 0007150229000095
,
Figure 0007150229000096
,
Figure 0007150229000097
に関連し、
Figure 0007150229000098
,
Figure 0007150229000099
,
Figure 0007150229000100
は
Figure 0007150229000101
により式１０に示し、
[式１０]
Figure 0007150229000102
Figure 0007150229000103
Figure 0007150229000104
；
重み行列Ｓは、式１１により示し、
[式１１]
Figure 0007150229000105
である。
さらに、ＷＬＳ法によってソースノードの位置は式１２により計算し、
[式１２]
Figure 0007150229000106
そのうち、
Figure 0007150229000107
，
Figure 0007150229000108
，
Figure 0007150229000109
，
Figure 0007150229000110
，
Figure 0007150229000111
，
Figure 0007150229000112
，
Figure 0007150229000113
，
Figure 0007150229000114
，
Figure 0007150229000115
；
重み行列ＣとＳの最終的な推定値は式１３により計算し、
[式１３]
Figure 0007150229000116
である。
無線周波数（RF）とマイクロエレクトロニクス機械システムの進歩により，多数のセンサ
ノードからなる大規模ネットワークが現在使用されている。無線センサネットワークはヒ
ューマンマシンインタラクションにおいて自主性があり,センサノードが比較的安価であ
るため、その応用潜在力は大きい。これらは、モニタリング(医療、工業、環境、農業)、
事件検出(洪水、雹、火災)、探索(外層空間、深水、地下)、監視など、多くの異なる分野
で使用される。
森林火災の探査も未来の発展方向の一つである。センサーノード(ソースノード)は、飛行
機からランダムに落下することができる。火災を検出するために近くの温度を測定するた
めに使用される。いずれかが高温(火災の危険)を検出すると、消防士に位置と有効な警告
情報を伝えることができる。それらの位置は本発明のアルゴリズムによって計算される。
本アルゴリズムは,既知の位置のアンカーノードがソースノードに送信する信号によりソ
ースノードの位置を算出する。
誤差分散と測定ノイズの加重最小二乗（ＥＮＷＬＳ）に基づくＲＳＳ／ＡｏＡ混合位置決
め法。この方法は、計算精度が高いだけでなく、計算の複雑さを大幅に軽減させる。加重
最小二乗法（ＷＬＳ）により、複雑さを増すことなく計算精度が向上する。測定モデルが
線形化されると、最小二乗（ＬＳ）法を使用して位置を推定するほうが実用的になる。こ
の方法は、三次元無線センサネットワークに基づいて、複雑さを増すことなく高精度な位
置決めを実現する。１次テイラー近似を使用して線形ＷＬＳ誤差を近似するとともに、Ｗ
ＬＳ法を用いてターゲットの位置を推定する。そして、線形ＷＬＳ誤差分散とセンサノー
ドの測定ノイズ値を推定して重み行列を決定する。この方法の二乗平均平方根誤差（ＲＭ
ＳＥ）は、既存のＲＳＳ／ＡｏＡハイブリッド位置決め方法よりも優れている。

Claims (8)

  1. ＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位置決め方法であって、
    ステップＳ１：第１計算フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの真値を取得して、第
    ２計算フローをプリセットしてＲＳＳとＡｏＡの実際の測定値を取得する測定モデル構築
    するステップと、
    ステップＳ２：近似値に基づいて重み行列Ｃ，Ｓを算出して、重み行列Ｃ，Ｓによって
    ソースノードの位置を算出するＷＬＳ法によるソースノードの近似値を算出するステップ
    と、
    前記近似値について、
    ｎｉは、受信パワーの独立ゼロ平均のガウスノイズを示し、ｍｉは、方位角の独立ゼロ平
    均のガウスノイズを示し、ｖｉは、ピッチ角の独立ゼロ平均のガウスノイズを示し、
    それぞれ
    Figure 0007150229000117
    を用いて
    Figure 0007150229000118
    を近似し（
    Figure 0007150229000119
    を計算するときにおいて）、
    Figure 0007150229000120
    を用いて
    Figure 0007150229000121
    を近似し，
    Figure 0007150229000122
    を用いて
    Figure 0007150229000123
    を近似し，
    Figure 0007150229000124
    を用いて
    Figure 0007150229000125
    を近似し（
    Figure 0007150229000126
    を計算するときにおいて）、そのうち、
    Figure 0007150229000127
    ，
    Figure 0007150229000128
    ,
    Figure 0007150229000129
    ,
    Figure 0007150229000130
    であり、
    前記重み行列Ｃ，Ｓについて、

    Figure 0007150229000131
    ，
    Figure 0007150229000132
    ,
    Figure 0007150229000133
    ,
    Figure 0007150229000134
    であり、
    Figure 0007150229000135
    は
    Figure 0007150229000136
    によって構成されるN×1次元の行ベクトルであり、
    Figure 0007150229000137
    ，
    Figure 0007150229000138
    もN×1次元の行ベクトルであり、関数（
    Figure 0007150229000139
    は
    Figure 0007150229000140
    とする対角線上の要素であり、3 N×3 Nの対角行列を構成し、
    Figure 0007150229000141
    は、
    Figure 0007150229000142
    とする対角線上の要素であり、3 N×3 Nの対角行列を構成し、
    前記ソースノードの近似値について、
    Figure 0007150229000143
    を用いて
    Figure 0007150229000144
    を近似した値であり、
    ステップＳ３：ソースノードの位置に基づいて、各アンカーと各評価関数の標準偏差を
    計算して、測定値のノイズ値を算出するステップと、
    前記各評価関数について、
    評価関数とは
    Figure 0007150229000145
    であり、評価関数の計算において
    Figure 0007150229000146
    を用い、
    ステップＳ４：標準偏差とノイズ値を各アンカーおよび各評価関数の重みとして用いる
    ステップと、
    前記重みは、重み行列Ｃと重み行列Ｓの積である、
    を含むことを特徴とするＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワークの目標位
    置決め方法。
  2. ステップＳ１における第１計算フローのプリセットは、ステップＳ１１とステップＳ１２
    とを含み、
    Ｓ１１：ＲＳＳの真値は式１により示し、
    [式１]
    Figure 0007150229000147
    Ｓ１２：ＡｏＡの真値は式２により示し、
    [式２]
    Figure 0007150229000148
    Figure 0007150229000149
    ただし、
    Figure 0007150229000150
    ，
    Figure 0007150229000151
    はＮのアンカーノード、
    Figure 0007150229000152
    は既知位置のソースノード、
    Figure 0007150229000153
    はソースノードと第ｉのアンカーノードの距離、
    Figure 0007150229000154
    は方位角の真値、
    Figure 0007150229000155
    はピッチ角の真値をそれぞれ示す、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワーク
    の目標位置決め方法。
  3. ステップＳ１における第２計算フローのプリセットはステップＳ１３を含み、
    ステップＳ１３：実際測定誤差を加味すると、ＲＳＳとＡｏＡの実際測定値は式３により
    示し、
    [式３]
    Figure 0007150229000156
    Figure 0007150229000157
    Figure 0007150229000158
    ；
    ただし、
    Figure 0007150229000159
    ，
    Figure 0007150229000160
    ，
    Figure 0007150229000161
    はそれぞれ受信パワー、方位角、ピッチ角の独立ゼロ平均のガウスノイズを示す、
    ことを特徴とする請求項２に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネットワーク
    の目標位置決め方法。
  4. 重み行列Ｃは、各アンカーと各評価関数の分散に相関し、
    球座標
    Figure 0007150229000162
    は
    Figure 0007150229000163
    によって
    Figure 0007150229000164
    に対して示され、単位スペクル
    Figure 0007150229000165
    は実際測定のＲＳＳ値により定義され、式１、式２および式３は式４に変換でき、
    [式４]
    Figure 0007150229000166
    Figure 0007150229000167
    Figure 0007150229000168
    ；
    Figure 0007150229000169
    、
    Figure 0007150229000170
    、
    Figure 0007150229000171
    =1とすると、一次テイラー展開をして、
    Figure 0007150229000172
    ,
    Figure 0007150229000173
    ,
    Figure 0007150229000174
    は式５に示し、
    [式５]
    Figure 0007150229000175
    Figure 0007150229000176
    Figure 0007150229000177
    ；
    式５の分散は式６となり、
    [式６]
    Figure 0007150229000178
    である、ことを特徴とする請求項３に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネッ
    トワークの目標位置決め方法。
  5. 重み行列Ｃは、各アンカーおよび各評価関数の標準偏差およびノイズ値の影響を反映し、
    式６は等価的に式７に表し、
    [式７]
    Figure 0007150229000179
    各アンカーと各評価関数項目の重みは分散に反比例し、重み行列Ｃは式８により表し、
    [式８]
    Figure 0007150229000180
    である、ことを特徴とする請求項４に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネッ
    トワークの目標位置決め方法。
  6. 式８の各項の重みを
    Figure 0007150229000181
    乗算し、最終的な推定値を変更せずに式９により表し、
    [式９]
    Figure 0007150229000182
    である、ことを特徴とする請求項５に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネッ
    トワークの目標位置決め方法。
  7. 重み行列Sは
    Figure 0007150229000183
    ,
    Figure 0007150229000184
    ,
    Figure 0007150229000185
    に関連し、
    Figure 0007150229000186
    ,
    Figure 0007150229000187
    ,
    Figure 0007150229000188
    は
    Figure 0007150229000189
    により式１０に示し、
    [式１０]
    Figure 0007150229000190
    Figure 0007150229000191
    Figure 0007150229000192
    ；
    重み行列Ｓは、式１１により示し、
    [式１１]
    Figure 0007150229000193
    である、ことを特徴とする請求項３に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネッ
    トワークの目標位置決め方法。
  8. ＷＬＳ法によってソースノードの位置は式１２により計算し、
    [式１２]
    Figure 0007150229000194
    そのうち、
    Figure 0007150229000195
    ，
    Figure 0007150229000196
    ，
    Figure 0007150229000197
    ，
    Figure 0007150229000198
    ，
    Figure 0007150229000199
    ，
    Figure 0007150229000200
    ，
    Figure 0007150229000201
    ，
    Figure 0007150229000202
    ，
    Figure 0007150229000203
    ；
    重み行列ＣとＳの最終的な推定値は式１３により計算し、
    [式１３]
    Figure 0007150229000204
    である、ことを特徴とする請求項６に記載のＲＳＳ－ＡｏＡ測定に基づく無線センサネッ
    トワークの目標位置決め方法。
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