基于RSSI的優(yōu)化加權(quán)質(zhì)心定位算法研究

張正華， 戴 磊 ， 黎家文， 陳 航

（1.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，江蘇 揚(yáng)州 225009）

基于RSSI的優(yōu)化加權(quán)質(zhì)心定位算法研究

張正華1， 戴 磊1， 黎家文1， 陳 航2

（1.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，江蘇 揚(yáng)州 225009）

節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。質(zhì)心定位算法是指節(jié)點(diǎn)依靠無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行定位，定位誤差較大。為了提高定位精度，鑒于質(zhì)心定位算法受環(huán)境影響較小，基于RSSI的定位技術(shù)使用方便的特點(diǎn)，文中提出了基于RSSI的一種優(yōu)化加權(quán)質(zhì)心定位算法。通過RSSI測(cè)距，結(jié)合優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心定位算法，確定節(jié)點(diǎn)位置。仿真結(jié)果表明，該算法降低了定位的平均誤差，可以提高定位精度。

RSSI；加權(quán)質(zhì)心；定位；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）中，節(jié)點(diǎn)定位是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求。定位業(yè)務(wù)受到廣泛關(guān)注，對(duì)于軍用、民用、礦井以及火災(zāi)救援的WSN來(lái)說(shuō)，估計(jì)用戶的準(zhǔn)確位置則顯得至關(guān)重要[1]。至今，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位已經(jīng)成了一個(gè)很重要的研究方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制可分為基于距離（Range-Based）和距離無(wú)關(guān)（Range-Free）的兩類定位算法[2]，基于距離的定位算法通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法等計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置[3]，主要有 RSSI、TOA、TDOA、AOA 等。距離無(wú)關(guān)的定位算法是依靠網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息進(jìn)行定位，不需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離或角度信息，主要有質(zhì)心算法、DV－h(huán)op算法、凸規(guī)劃、Amorphous算法、APIT等[4]。基于測(cè)距的定位算法與無(wú)需測(cè)距的定位算法相比雖然有著成本較高、能耗較高、計(jì)算量和通信量較大的不足，但是前者的定位精度一般都要比后者高。可以相信，隨著技術(shù)進(jìn)步，更精確、能耗更小的測(cè)距技術(shù)的出現(xiàn)，以及對(duì)定位精度的更高要求，基于測(cè)距的定位算法將在節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中獲得更好的發(fā)展空間[5]。

1 RSSI測(cè)距模型

P（d）為基站接收到盲節(jié)點(diǎn)在距離基站d處發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度；P（d0）是基站接收到錨節(jié)點(diǎn)在距離基站處發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度；d0為近地參考距離，一般為1 m；n為路徑損耗指數(shù)，依賴周圍環(huán)境，范圍在2～4之間；Xσ是標(biāo)準(zhǔn)差為σ的零均值的高斯

信號(hào)在傳播過程中會(huì)衰減，這種損耗與信號(hào)的傳播路徑有關(guān)。RSSI測(cè)距，就是利用此相關(guān)性測(cè)出接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)間的距離。RSSI測(cè)距使用的無(wú)線信號(hào)模型包括理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊恍﹨?shù)取值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，模型比較簡(jiǎn)單，精度不是很高，易用于大致估計(jì)。

理論模型主要有自由空間傳播模型、對(duì)數(shù)－路徑損耗模型、兩徑傳播模型、對(duì)數(shù)－常態(tài)分布模型等。無(wú)線信號(hào)傳播路徑損耗對(duì)RSSI測(cè)量精度有很大影響，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，使得無(wú)線信號(hào)傳播模型十分復(fù)雜[6]。通常采用對(duì)數(shù)－常態(tài)分布模型，即：分布隨機(jī)變量。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)得的RSSI值越大，距離越近，對(duì)節(jié)點(diǎn)定位具有更大的決定權(quán)。

2 優(yōu)化的加權(quán)質(zhì)心算法

質(zhì)心算法是通過未知節(jié)點(diǎn)接收所有在其通信范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息，并將這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置來(lái)定位。由于質(zhì)心算法并沒有反應(yīng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的影響大小，所以在原有質(zhì)心算法的基礎(chǔ)上，提出了加權(quán)質(zhì)心算法。加權(quán)質(zhì)心算法，通過加權(quán)因子來(lái)反映參考節(jié)點(diǎn)對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)決定權(quán)的大小，利用加權(quán)因子體現(xiàn)各參考節(jié)點(diǎn)對(duì)質(zhì)心位置的影響程度，反映他們的內(nèi)在關(guān)系[7]。已知有3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn) A、B、C，如圖 1所示。

圖1 加權(quán)質(zhì)心算法示意圖Fig.1 Weighted centroid localization algorithm diagram

坐標(biāo)分別為（xa，ya），（xb，yb），（xc，yc），假設(shè)盲節(jié)點(diǎn) D 坐標(biāo)為（xd，yd），通過RSSI測(cè)距測(cè)得與盲節(jié)點(diǎn)之間的距離分別為da、db、dc，則盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為

3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

使用Matlab對(duì)其進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)經(jīng)過優(yōu)化后算法的性能。在65m×65m的區(qū)域內(nèi)，布置3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為（10，20 m），（35，50 m），（50，10 m）。 隨機(jī)選取的點(diǎn)也就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。

使用加權(quán)質(zhì)心定位算法和優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心定位算法對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，分別運(yùn)算10次，各自得到10個(gè)估計(jì)位置，如圖2所示。

圖2 不同加權(quán)因子的質(zhì)心定位算法仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of centroid localization algorithm with different weighted factors

將上述各自得到的 10 個(gè)估計(jì)位置（xn，yn）（n=1，2，…，10）分別與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（x0，y0）=（31，27 m）進(jìn)行比較，根據(jù)式（6）得到誤差e。

圖3 誤差對(duì)比分析圖Fig.3 Errors analysis diagram

4 結(jié) 論

綜上所述，文中主要對(duì)基于RSSI的定位技術(shù)[8]進(jìn)行了研究，在原有的加權(quán)質(zhì)心定位算法的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化加權(quán)因子的方法，對(duì)加權(quán)因子進(jìn)行優(yōu)化，得出優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心定位算法。該算法不需增加額外的設(shè)備，通過對(duì)性能仿真和分析結(jié)果表明，該優(yōu)化后的加權(quán)質(zhì)心算法在一定程度上提高了定位精度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]徐燕，石江宏，吳曉芳.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI差值的改進(jìn)定位算法[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，47（3）：361-363.

XU Yan，SHIJiang-hong，WU Xiao-fang.An improved localization llgorithm based on RSSI-margin in WSN[J].Journal of Xia Men University，2008，47（3）:361-363.

[2]陳昌祥，達(dá)維，周潔.基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)距離修正定位算法[J].通信技術(shù)，2011，44（2）：65-69.

CHEN Chang-xiang，DA Wei，ZHOU Jie.RSSI-based range collation localization algorithm in WSN[J].Communications Technology，2011，44（2）：65-69.

[3]戴瑩，王建平，張崇巍.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法的研究與改進(jìn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（4）：567-570.

DAI Ying，WANG Jian-ping，ZHANG Chong-wei.Research and improvement of localization algorithms for wireless sensor networks[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（4）：567-570.

[4]王琰琳，黃友銳，曲立國(guó).改進(jìn)型質(zhì)心算法在井下人員定位中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33（8）：76-78.

WANG Yan-lin，HUANG You-rui，QU Li-guo.Improved centroid localization algorithm in application of underground personnel positioning[J].Cocal Mine Machinery，2012，33（8）：76-78.

[5]詹杰，劉宏立，劉述鋼，等.基于RSSI的動(dòng)態(tài)權(quán)重定位算法研究[J].電子學(xué)報(bào)，2011，39（1）：82-86.

ZHAN Jie，LIU Hong-li，LIU Shu-gang，et al.The study of dynamic degree weighted centroid localization algorithm based on RSSI[J].Acta Electronica Sinica，2011，39（1）:82-86.

[6]李剛，陳俊杰.基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)RSSI自校正的WSN三維定位[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39（2）:348-350.

LI Gang，CHEN Jun-jie.3D localization in WSN based on beacon node RSSI self-correcting[J].Huazhong Univ.of Sci.&Tech，2011，39（2）:348-350.

[7]郜麗鵬，朱梅東，楊丹.基于ZigBee的加權(quán)質(zhì)心定位算法的仿真與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（1）：150-152.

GAO Li-peng，ZHU Mei-dong，YANG Dan.Simulation and implement of weighted centroid location algorithm based on ZigBee[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（1）：150-152.

[8]王琦.基于RSSI測(cè)距的室內(nèi)定位技術(shù) [J].電子科技，2012（6）:64-66，78.

WANG Qi.Research on an indoor positioning technology based on RSSI ranging[J].Electronic Science and Technology，2012（6）:64-66，78.

Research on optimization weighted centroid localization algorithm based on RSSI

ZHANG Zheng-hua1， DAI Lei1， LI Jia-wen1， CHEN Hang2
（1.School of Information Engineering of Yangzhou University， Yangzhou 225127， China；2.Laboratory and Equipment Management Office of Yangzhou University， Yangzhou 225009， China）

The node localization is one of the key technologies in wireless sensor network.The centroid algorithm localization means that node self-localization relies on wireless sensor network connectivity，but error is large.In order to improve positioning precision，an optimization weighted centroid localization algorithm based on RSSI was presented in consideration of less affection by environment for centroid localization algorithm，and easy to use localization technology based on RSSI.Distance was got through RSSI，combined with optimization weighted centroid algorithm，node was located.Simulation results show that， the average error of positioning decreased， and localization precision was improved by this algorithm.

RSSI； weighted centroid； localization； wireless sensor network

TP 391

A

1674－6236（2013）07－0171－03

2012－11－25稿件編號(hào)201211214

揚(yáng)州市－揚(yáng)州大學(xué)科技合伙資金計(jì)劃項(xiàng)目（YZ2011149）

張正華（1965—），男，江蘇南通人，碩士，副教授。研究方向：視頻圖像處理機(jī)編解碼、實(shí)時(shí)信號(hào)處理等。