RSSI測距原理研究

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)通常要在無人干預(yù)的情況下大規(guī)模地隨機(jī)部署在環(huán)境惡劣、人類無法或不宜接近的區(qū)域，如戰(zhàn)場、火山口附近，故節(jié)點受制造成本、 體積、重量等條件的限制，單個節(jié)點所能承載的能量是非常有限的，且不易得到補充，所以在人工部署時確定節(jié)點位置是不現(xiàn)實的。如果在每個節(jié)點上裝備GPS定位系統(tǒng)，盡管目前已經(jīng)開發(fā)出了單芯片的GPS解決方案，并可集成到MICAl6J系列節(jié)點上，但因其造價昂貴，與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點廉價且需大量部署的特點相矛盾。因此，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，人們必須設(shè)計出獨特的測距算法，而RSSI測距就是其中之一。

一、RSSI測距原理

無線信號傳輸普遍采用的理論模型是漸變模型（Shadowing Model）。

[p（d）]dbm=[p（d0）]dbm-10nlog10（ ）+xdbm （1）

式子中，p（d）表示距離發(fā)射機(jī)為d時，接收端接收到的信號強度，即RSSI值；p（d0）表示距離發(fā)射機(jī)為d0時接收端接收到的信號功率；d0為參考距離；n是路徑損耗（Pass Loss）指數(shù)，通常由實際測量得到，障礙物越多，n值越大，從而接收到的平均能量下降速度會隨著距離的增加而變得越來越快：X是一個以dbm為單位，平均值為0的高斯隨機(jī)變量，反映了當(dāng)距離一定時，接收到的能量的變化。

實際應(yīng)用中，一般采用簡化的漸變模型：

[p（d）]dbm=[p（d0）]dbm-10nlog10（ ） （2）

為便于表達(dá)和計算，通常取d0為1 m，于是可得：

[p（d）]dbm=A-10nlog10d （3）

把[p（d）]dbm寫成RSSI的形式得到：

RSSI=A-10nlog10d （4）

其中，A為無線收發(fā)節(jié)點相距1m時，接收節(jié)點接收到的無線信號強度RSSI值。式（4）就是RSSI測距的經(jīng)典模型，給出了RSSI和d的函數(shù)關(guān)系，所以已知接收機(jī)接收到的RSSI值就可以算出它和發(fā)射機(jī)之間的距離。A和n都是經(jīng)驗值，和具體使用的硬件節(jié)點以及無線信號傳播的環(huán)境密切相關(guān)，因此在不同的實際環(huán)境下A和n因參數(shù)不同，其測距模型也不同。

二、RSSI測距定位算法

基于RSSI測距的定位算法流程如圖1所示：節(jié)點定位采用極大似然估汁算法。已知n個信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），未知節(jié)點坐標(biāo)為（x，y），算法的具體步驟如下：

第一，信標(biāo)節(jié)點周期性向未知節(jié)點發(fā)送包含自身ID和自身位置信息的數(shù)據(jù)包；

第二，未知節(jié)點在收到同一ID信標(biāo)節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，從中提取出收到陔幀數(shù)據(jù)的信號強度值RSSI。當(dāng)收到某個ID信標(biāo)節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包超過一定閾值（實驗設(shè)置為100）后，對這100個RSSI值求平均值，得到最終的該ID信標(biāo)節(jié)點的RSSI值，然后使用RSSI測距公式RSSI=A-10nlg（d）導(dǎo)出距離d，這樣就得到了未知節(jié)點和某ID信標(biāo)節(jié)點的距離。對所有信標(biāo)節(jié)點都采用這種方法進(jìn)行處理，得到n個距離d1，d2，…dn。最后未知節(jié)點記錄下所有信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)和對應(yīng)的距離數(shù)據(jù)；

第三，建立信標(biāo)節(jié)點與未知節(jié)點距離方程組

（作者單位：同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院）