基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線定位算法研究

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前有廣泛應(yīng)用。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線定位技術(shù)必不可少，將數(shù)據(jù)的收集、處理與傳輸形成了有效的整體，使定位的結(jié)果更加精確。文章在研究了多種的無線定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)三角形質(zhì)心定位算法進(jìn)行了分析與仿真，通過同三邊定位法和質(zhì)心算法進(jìn)行對(duì)比說明了基于測距和基于不測距定位算法的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線定位算法；三角形質(zhì)心算法；數(shù)據(jù)收集；仿真實(shí)驗(yàn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP368 文章編號(hào)：1009-2374（2017）02-0021-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.010

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和無線通信技術(shù)、片上系統(tǒng)與微機(jī)電系統(tǒng)密不可分，是一種高科技含量的新型技術(shù)。從本質(zhì)上來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)，它和外部的傳感器相連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器的資源共享。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置也較為靈活，可以分為有線和無線兩種方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、處理和傳輸，集合了現(xiàn)代化信息技術(shù)的核心，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

無線定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，它是主要的數(shù)據(jù)提供者，對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著重要作用。無線定位突破了傳統(tǒng)定位技術(shù)的限制，將定位的精確性也大幅度提升，因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展在某種程度上取決于無線定位技術(shù)的成熟性。以目前的定位技術(shù)而言，它的算法有很多，以不同的參考量為依據(jù)，然后用數(shù)學(xué)的方式求出最終定位結(jié)果。不同的算法選擇有不同的效果，需要的技術(shù)支持也不相同。

1 無線定位算法

無線定位算法的基本原理是：通過電波等無線通信手段，就可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，之后利用網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算技術(shù)進(jìn)行位置的修正。其實(shí)，無線定位算法的方法有很多，但是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的，有的以幾何為基礎(chǔ)的，有的以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，通過距離的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。具體而言，無線定位的算法有兩種：一種是根據(jù)測量的角度和距離定位；另一種是與測量無關(guān)的定位。

基于測距的定位機(jī)制是根據(jù)目標(biāo)的位置建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，然后計(jì)算其相鄰節(jié)點(diǎn)的距離和角度。有了這些基本的信息，就可以根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面，在平面中尋找相應(yīng)的幾何關(guān)系，最終得出想要的坐標(biāo)。在基于距離的定位過程中，方法有很多，有的是以信號(hào)的時(shí)間為定位基準(zhǔn)，有的是以地區(qū)為計(jì)算的基礎(chǔ)。不同的算法有不同的利弊，需要根據(jù)自身的需求做出合理的選擇。

基于測量距離和角度的算法缺點(diǎn)在于：它對(duì)單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)有更高的要求，這就增加了傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗與造價(jià)，而且這種算法的計(jì)算量較大，消耗的成本也更大，時(shí)間也較長，這就造成了定位系統(tǒng)的反應(yīng)不夠迅速，無法最快地提供定位服務(wù)。但是，這種算法的精確性較高，提供的數(shù)據(jù)更有參考價(jià)值，可以讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果最接近真實(shí)值。

基于不測距的定位算法基本原理是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)倪B通信息，利用節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的幾何圖形的特征來描述未知節(jié)點(diǎn)的位置狀態(tài)，進(jìn)而給出近似的定位信息。這種定位雖然不夠精確，但是可以最快地給出定位結(jié)果，把定位的過程簡化，快速為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)。在一些特定的場合中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要快速反應(yīng)，對(duì)結(jié)果的精確性要求并不高，這就可以選擇不測距的定位算法。

基于不測距的定位算法利用通信協(xié)議在獲得節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行定位，合理地利用了網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬，并且體現(xiàn)了分布式算法的設(shè)計(jì)思想，分散了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，降低了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)成本和能耗，延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，最終獲得較高的性價(jià)比。但從原理上講，基于不測距的定位算法是通過比較粗燥的幾何特征進(jìn)行定位判定，相對(duì)基于直接測距的定位算法而言，它無法達(dá)到準(zhǔn)確定位，而只能通過設(shè)計(jì)更完善的判定機(jī)制去更接近準(zhǔn)確。

2 基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法

在基于測距定位算法簡單基礎(chǔ)上，引入基于不測距定位算法中用幾何特征判定定位特征的思想，可以用來降低由于測距不精確而帶來的定位誤差。基于這個(gè)思路，本文將RSSI測距技術(shù)、三邊定位算法和質(zhì)心定位算法相結(jié)合，提出了一種基于RSSI的三角形質(zhì)心定位算法并仿真實(shí)現(xiàn)。

2.1 基于RSSI的測距技術(shù)

基于RSSI的測距技術(shù)利用到了信號(hào)的衰減，其本質(zhì)上是計(jì)算電波功率的衰減量，然后根據(jù)衰減量來計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，最終實(shí)現(xiàn)定位。

理論模型即信號(hào)衰減與傳播距離之間的關(guān)系式

如下：

（1）

式中：表示節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)功率，單位為；表示參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)功率；表示路徑長度和路徑損耗的比率，根據(jù)環(huán)境介質(zhì)一般取值為2～5；表示參考節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離；即為未知節(jié)點(diǎn)到基站之間的距離。

在實(shí)際應(yīng)用中，很多因素會(huì)影響到信號(hào)的傳播，例如多徑和非視線傳播等造成的信號(hào)傳播模型復(fù)雜化，這就使得RSS傳遞的信號(hào)不穩(wěn)定，存在的誤差較大。因?yàn)閷?shí)際環(huán)境的復(fù)雜性，換算出的錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離總是大于實(shí)際兩節(jié)點(diǎn)間的距離。

2.2 三邊定位與質(zhì)心定位結(jié)合的定位算法

如圖1（a）所示，錨節(jié)點(diǎn)A、B、C，未知節(jié)點(diǎn)D，根據(jù)模型計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)A和D的距離，節(jié)點(diǎn)B和D的距離，節(jié)點(diǎn)C和D的距離。分別以A、B、C為圓心，、、為半徑畫圓，可得交疊區(qū)域。這里的三角形質(zhì)心定位算法的核心思想是：計(jì)算三圓交疊區(qū)域的三個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)，以這三個(gè)交點(diǎn)為三角形的定點(diǎn)，求得這個(gè)三角形的質(zhì)心作為待定位節(jié)點(diǎn)的位置。

（a） （b）

圖1 三角形質(zhì)心定位算法

如圖1（b）所示，交點(diǎn)為E、F、G。其中，交點(diǎn)E坐標(biāo)的計(jì)算方法為：

（2）

同理，亦可得到F、G兩點(diǎn)坐標(biāo)、。

此時(shí)，根據(jù)質(zhì)心定位算法的計(jì)算原理可得待定位節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)為：

（3）

由仿真可知，在圖1（b）中，實(shí)際點(diǎn)為D，三角形質(zhì)心算法得出的估計(jì)點(diǎn)為M，三邊測量法得出的估計(jì)點(diǎn)為N。在本例中可以看出，三角形質(zhì)心算法的準(zhǔn)確度更高。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法及策略

仿真過程的主要步驟為：常量設(shè)定；布設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)；向網(wǎng)絡(luò)中放入目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；目標(biāo)探測周圍環(huán)境（或網(wǎng)絡(luò)搜索目標(biāo)）；質(zhì)心算法定位；三邊定位法定位；三角形質(zhì)心算法定位。

在仿真程序設(shè)計(jì)中，主要涉及Range（網(wǎng)絡(luò)場地）、Sensor（錨節(jié)點(diǎn)）、Target（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)）等對(duì)象，使用這些對(duì)象所包含的變量及變量數(shù)組完成對(duì)算法的仿真。

實(shí)際情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)存在隨機(jī)性，但總體上滿足一定的分布規(guī)律。設(shè)計(jì)仿真程序時(shí)采用的策略是，根據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)中布設(shè)傳感器的數(shù)量將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域分成網(wǎng)格狀，在每個(gè)小格的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)“投”下一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)完畢后，錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)隨之確定（本設(shè)計(jì)不涉及錨節(jié)點(diǎn)自定位問題）。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)的位置也是隨機(jī)的，但可預(yù)知在一定范圍內(nèi)，在網(wǎng)絡(luò)布設(shè)時(shí)就要使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍包含這個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的區(qū)域。設(shè)計(jì)仿真程序時(shí)采用的策略是，選取網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍中部一塊較大的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)“投”下目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)不直接參與定位計(jì)算。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)感知目標(biāo)及測距過程的仿真采用的是電波擴(kuò)散及損耗模型，即：錨節(jié)點(diǎn)上的傳感器對(duì)目標(biāo)所發(fā)出的特征信號(hào)進(jìn)行離散采樣以便于數(shù)字化計(jì)算，在一個(gè)采樣周期中，電波的擴(kuò)散距離的增量為電波在介質(zhì)中的傳播速度與采樣周期的乘積。每過一個(gè)采樣周期，檢測一次以當(dāng)前擴(kuò)散距離為半徑的圓范圍內(nèi)是否有新的錨節(jié)點(diǎn)被覆蓋。當(dāng)覆蓋到足夠多的錨節(jié)點(diǎn)時(shí)，就可以終止這個(gè)過程。

需要說明的是，定位計(jì)算過程所使用的測得待定位節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離不是在電波擴(kuò)散計(jì)算中的準(zhǔn)確距離，而是在準(zhǔn)確距離的基礎(chǔ)上，根據(jù)RSSI測距技術(shù)“換算出的錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離總是大于實(shí)際兩節(jié)點(diǎn)間的距離”的原則，引入接收電波信號(hào)強(qiáng)度以單邊高斯分布的測量誤差之后所得到的測量距離。同時(shí)還應(yīng)考慮到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的輻射能力應(yīng)在一個(gè)不大的范圍內(nèi)，這個(gè)限制也可以成為感應(yīng)過程終止的一個(gè)判定條件。故在布設(shè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)就應(yīng)該保證一定的錨節(jié)點(diǎn)密度，以減少在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)輻射范圍內(nèi)覆蓋不到足夠的錨節(jié)點(diǎn)的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

每“投”入一次目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就進(jìn)行一次定位計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果保存。重復(fù)若干次實(shí)驗(yàn)，取得較多的仿真數(shù)據(jù)用于分析。圖2、圖3和圖4分別給出了上述幾種定位方法的實(shí)驗(yàn)效果圖，圖5、圖6和表1則分別從定性和定量的角度對(duì)比了它們的性能差異。分析下述結(jié)果可知：使用質(zhì)心算法定位方法計(jì)算量小，但是精度不高；使用最小二乘法進(jìn)行三邊定位和三角質(zhì)心算法定位的方式精度相近，均較高，但三角質(zhì)心定位算法由于不需要十分精確的測距，實(shí)現(xiàn)成本較低，故優(yōu)于三邊定位算法。三角形質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)難度與成本較低，但可獲得較高的定位精度，是一種較好的定位算法。

圖2 三邊極大似然估計(jì)定位 圖3 質(zhì)心算法定位

圖4 三角形質(zhì)心算法定位 圖5 三種定位算法對(duì)比示意圖

圖6 三種定位方式定位誤差示意圖

表1 三種定位方式定位誤差匯總表

4 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心就是定位技術(shù)，所以要保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)反映準(zhǔn)確性，必須從提高定位技術(shù)精確性入手。定位算法的選擇對(duì)定位的結(jié)果有較大影響，不同的環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)收集的效果也有不同的要求，需要根據(jù)實(shí)際情況做合理的選擇。本文在多種的無線定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)三角形質(zhì)心定位算法重點(diǎn)進(jìn)行了分析與仿真，用數(shù)據(jù)來說明無線定位技術(shù)各種算法的利弊，希望給定位技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考意見，進(jìn)而加快無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用，擴(kuò)大其使用的范圍。

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作者簡介：周明江（1965-），男，山東青島人，蘇州東奇信息科技股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向：視頻處理、信號(hào)與信息處理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）