改進的無線傳感器網絡三邊質心定位算法研究

摘 要：無線傳感設備設計其網絡規(guī)劃時，常采用節(jié)點定位技術，便于找尋數據源的精準坐標位置，因此在進行信號接收階段時，可應用三邊質心定位方法，實現成本低、僅需三個錨節(jié)點等優(yōu)勢，以此順利完成定位工作。本文對傳統(tǒng)定位技術的應用中發(fā)現其工作時受外界干擾的影響較大，造成算法誤差情況，因此選擇改進原有算法，通過使用RSSI測距方法將數據源信號聚類，降低干擾引起的誤差數值，提高節(jié)點定位精度。

關鍵詞：三邊質心定位;傳感器;錨節(jié)點

引 言

環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等領域中需要能夠反映現實特征的設備，無線傳感器設備可實現自發(fā)感知環(huán)境能力，因此其集合網絡可被應用在較廣泛行業(yè)中，并取得較高應用價值。為良好實現數據跟蹤目標，需要在無線傳感器上搭載節(jié)點定位技術，保障可對數據實現可移動跟蹤結果。使用節(jié)點定位方式，通常選擇部分節(jié)點作為錨節(jié)點，然后通過算法計算，由此獲得跟蹤數據的準確定位信息。

1 根據RSSI測距的三邊定位算法

1.1RSSI定位原理。對傳感器網絡做出RSSI測距處理，其基本的定位原理是通過測量節(jié)點間距離，根據空間幾何的計算公式，以此完成對節(jié)點的準確定位，其定位方法中包括三角、三邊、極大似然等，而三邊定位方法較為常用，因為其應用過程中可實現降低運行成本的目標，可提高應用效益。根據RSSI測距定位過程，可進行三階段下的測距定位步驟，首先是測距階段，發(fā)射信號至某未知節(jié)點，通過返回信號的強度，判斷錨節(jié)點與該未知節(jié)點的中心距離，現階段常采用對數——正態(tài)分布模型來完成該測距工作。其次是定位階段，對某位置節(jié)點做出距離計算，可通過定位算法的使用，將自身位置確定，該過程中常用方法是三邊質心、極大似然等。最后是修正階段，因未知節(jié)點其坐標并不明確，所以采用優(yōu)化、修正方式將其初始定位計算數值做以調整，進一步減少定位誤差，提高節(jié)點精度。

1.2三邊定位原理。為減少定位過程存在的誤差現象，可提取距離某未知節(jié)點最近的一條直線上的三個錨點作為基礎定位點，進行定位操作，以此便可有效將定位精度加以提高。假設未知節(jié)點U（x，y）通過接收三個錨節(jié)點M 1（x1，y1）、M2（x2，y2）和M3（x3，y3）發(fā)送的RSSI信號計算錨節(jié)點，到未知節(jié)點U（x，y）的對應距離d1、d2和d3，以M1、M2和M3為圓心，距離d1、d2和d3為半徑畫圓，得到三個定位圓之間的交點[1]。圖1為定位原理圖。

圖1 三邊定位的算法原理

將兩點間的距離公式做聯立方程組，經由變形可轉換為矩陣方程，由此便可得到節(jié)點的初始預估坐標。考慮到存在噪聲干擾環(huán)境影響，因此使用三邊質心定位的算法估算出該未知節(jié)點的大致位置，當與RSSI信號強度呈正相關時，該算法結果中代入具體數值，便可求得較為精準的定位數據。

2 改進后的三邊定位算法分析

2.1尋找三個錨節(jié)點。因RSSI信號較易受到外界干擾，因此可選擇尋找三個錨節(jié)點，來對某未知節(jié)點發(fā)射數量較多的RSSI信號，并通過模糊C的均值聚類方式，將信號聚類，由此便可大概率消除影響到定位數據精確的干擾信號。由文獻可知，當三個選取的錨節(jié)點其空間位置最大程度接近等邊三角形時，則該定位數據較為精確，并且在錨節(jié)點位置越近、RSSI數值越大時，選取未知節(jié)點位置工作，算法便可擁有較大決定權。因此需要保障錨節(jié)點其選擇因素應建立在RSSI信號較大時，并且嚴格避免三點位置處于同一條直線附近，盡量分開且呈現等邊三邊形空間結構。該過程使用雙集合組合方法進行合適錨節(jié)點的挑選工作。

2.2計算RSSI準確值。模糊C均值的聚類算法，用隸屬度去表示每個樣本應該屬于某聚類程度，因此該算法通過迭代方式，可以更容易尋找使目標函數，可以不斷趨向更小值時的中心向量及隸屬度。但由于該算法容易陷入局部極小值，所以對隸屬度初始值的選取依賴程度很高，可以在全局空間尋找最優(yōu)解，不易陷入局部極值[2]。所以本文使用的是將量子粒子群，對其算法充分優(yōu)化，并保持全局搜索操作，來代替模糊C的均值聚類算法，從而將迭代過程計算中的最優(yōu)解結果加以體現。

2.3參考點加權算法。使用得出的RSSI三元組數據，去進行三個錨節(jié)點的具體定位計算，再憑借三個節(jié)點位置數據找出三個對應的參考點，使用加權質心定位的有效算法，去計算該未知節(jié)點的準確坐標，由此避免原有數值得出過程中的眾多信號干擾因素。首先應計算出三個參考點位置，然后將加權質心定位的算法代入到未知節(jié)點坐標中，得出具體數值。使用參考點加權算法，可有效保證以錨節(jié)點為圓心畫的圓可以保持相交，由此降低了定位誤差，并且三圓組成面積可形成更小范圍，由此增加了節(jié)點定位的精度。

3 仿真結果分析

使用5個無線傳輸模塊，對該改進后的算法進行效果分析，其中3個模塊作為錨節(jié)點，1個模塊將其定位于某未知節(jié)點，最后一個模塊作為網關使用。該仿真實驗采用定位誤差率的大小，來判斷改進后的算法性能，本文提出的算法可在距離40米時，誤差率小于10%，比原有算法誤差率降低一半，因此可證明該改進算法能夠取得較為精確的節(jié)點定位計算結果。圖2為不同算法下的定位誤差率的比較。

圖2 三種算法的誤差率比較

結 論

綜上，進行節(jié)點定位技術，可將無線傳感器網絡的應用效果進一步加強，因原有定位算法的精度達不到實際使用要求，所以提出以模糊C為均值聚類的新的質心算法，仿真結果顯示，當改進后的算法進行RSSI測距時，其誤差較小，由此帶來的定位精度也更高，從而彌補了原有算法不足。在原有算法基礎上，為保持硬件穩(wěn)定，僅增加了少量計算量，便可適應低成本、能耗要求，由此完成了三邊定位的較優(yōu)方案。

參考文獻

[1] 李海嘯，于東，胡毅，于皓宇.改進的無線傳感器網絡三邊質心定位算法[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2020，41（06）：1216-1223.

[2] 朱齊媛，馬興灶.無線傳感器網絡中三邊定位的聚類分析改進算法[J].山東農業(yè)大學學報（自然科學版），2019，50（03）：473-476.

作者簡介：楊菊（1997.08.12—）;性別：女，民族：回，籍貫：寧夏同心，學歷：本科;現有職稱：無;研究方向：計算機科學與技術、無線網絡。