基于距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法研究

袁春艷

（西安財(cái)經(jīng)學(xué)院行知學(xué)院,710038）

基于距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法研究

袁春艷

（西安財(cái)經(jīng)學(xué)院行知學(xué)院,710038）

由于多徑、干擾、遮擋等多種因素的存在，使用RSS 方法測距的精度較低，因此必須采用合理的算法來減小測距誤差對定位精度的影響，通過多次實(shí)驗(yàn)和改變參數(shù)可以獲得較好的仿真結(jié)果。

定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；距離；接受信號(hào)強(qiáng)度法

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位是很重要的，沒有位置信息的數(shù)據(jù)是沒有實(shí)際意義的，要定位監(jiān)測區(qū)域中的檢測的目標(biāo)最先要確定無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在位置，因此無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)位置所在尤為重要。節(jié)點(diǎn)自身定位分為基于距離和不基于距離兩大類，本課題研究基于距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)額位置所在。

文章主要說明了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器中的重要問題，說明了相關(guān)的一些主要解決方法，指出了其中的優(yōu)點(diǎn)和不足，指出了新的看法和構(gòu)思。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的節(jié)點(diǎn)組成部分、網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)，充分解析了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的特點(diǎn)及其與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，列舉說明了基本的定位方法和測距方法，分析了基本定位方法和測距方法的準(zhǔn)確性。并在實(shí)際應(yīng)用中使用了改進(jìn)的三邊測量法。并在觀測過數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，進(jìn)行了對比，最終獲得了較好的結(jié)果。

1 計(jì)算基于距離的節(jié)點(diǎn)自身定位方法

1.1 到達(dá)時(shí)間法TOA

到達(dá)時(shí)間TOA(Time of Arrival)所在的定位機(jī)制里，告知了信號(hào)所傳的速度，然后用信號(hào)所傳的時(shí)間長短準(zhǔn)確的計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的距離所在，接下來用同樣的方法算出節(jié)點(diǎn)的位置所在。由于TOA檢測定位需要能檢測出這種信號(hào)的到達(dá)準(zhǔn)確時(shí)間，所以，需要確保與時(shí)鐘同步進(jìn)行。因此在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器之中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的距離不大，然而這種無線電波基本上與光的速度同步，使得在測量上不是一蹴而就，相對的是：實(shí)際上人們用超聲波來測量距離的長短就相對準(zhǔn)確容易，但是這種聲波在一定的環(huán)境中也受到了很大的影響。

1.2 到達(dá)時(shí)間差法TDOA

到達(dá)時(shí)間差法利用信號(hào)傳輸時(shí)間Time of Arrival進(jìn)行定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中，TDOA是無線電波和超聲波在一定的條件下共同完成的，但是兩者在傳輸?shù)男噬嫌兴煌诮嚯x我們可認(rèn)為無線電波傳輸是沒有消耗時(shí)間的，所以，我們很容易能檢測到節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。

1.3 波達(dá)方向角法AOA

還有一種定位算法是運(yùn)用信號(hào)的角度不同進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的判斷的，也叫AOA定位法。由于需要節(jié)點(diǎn)裝有天線陣列，這些和無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的價(jià)格和節(jié)能的方式是背道而馳的，因此AOA定位法實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)。

1.4 接收信號(hào)強(qiáng)度法RSSI

在運(yùn)用信號(hào)RSSI強(qiáng)度的測量的定位實(shí)踐中，我們知道節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)弱程度，同時(shí)接收節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測到的強(qiáng)度大小，判斷出信號(hào)的損失與消耗。同時(shí)利用大量的經(jīng)驗(yàn)方式使得損耗轉(zhuǎn)化為距離，然后算出節(jié)點(diǎn)所在的具體位置。

現(xiàn)實(shí)生活中現(xiàn)在主要有3中信號(hào)的傳輸方式：自由空間模型、雙路徑反射模型、和遮蔽模型。其中自由模型是理想狀況；雙路徑反射模型加入了兩個(gè)不同天線的高度ht,hr，且信號(hào)強(qiáng)度與距離的4次方成比例；遮蔽模型由路徑衰減模型和環(huán)境中存在的噪聲干擾這兩部分構(gòu)成。

2 基于距離的RSSI仿真方法和性能

2.1 RSSI測距定位節(jié)點(diǎn)仿真原理實(shí)現(xiàn)

RSSI即接收信號(hào)強(qiáng)度法，在實(shí)際仿真中，需要先在固定區(qū)域中隨機(jī)取若干點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，在這些節(jié)點(diǎn)中取一定比例的點(diǎn)作為已知坐標(biāo)的錨節(jié)點(diǎn)，其他的點(diǎn)為假定不知道位置的節(jié)點(diǎn)，對他們進(jìn)行定位。

在實(shí)際中取一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，對三角形內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行定位，在接受信號(hào)強(qiáng)度中加入噪聲，重新通過加入噪聲的接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)對已知坐標(biāo)的錨節(jié)點(diǎn)間的距離。用計(jì)算出的距離數(shù)據(jù)和改進(jìn)的三邊測量法對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，得到仿真結(jié)果，對比真實(shí)坐標(biāo)與定位結(jié)果，計(jì)算誤差。

2.2 三邊測量法改進(jìn)

原本的三邊測量法是在理想狀態(tài)下，三個(gè)已知點(diǎn)與未知點(diǎn)的距離確定，以此三點(diǎn)對應(yīng)于未知點(diǎn)的距離為半徑畫圓，可以相切與需定位的點(diǎn)；由于實(shí)際的仿真中加入了噪聲，導(dǎo)致三個(gè)圓不一定會(huì)相切，但是會(huì)確定一個(gè)區(qū)域，通過確定這個(gè)區(qū)域的質(zhì)心來估算所要定位的點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.3 仿真結(jié)果和誤差

(1)仿真定位實(shí)現(xiàn)后的結(jié)果：

取了一個(gè)10*10的正方形區(qū)域，取了三個(gè)成等邊三角形的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)分布了50個(gè)節(jié)點(diǎn)作為未知坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行定位，結(jié)果為藍(lán)色的點(diǎn)?？梢缘玫皆诳梢远ㄎ坏膮^(qū)域（三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)成的等邊三角形內(nèi)）的點(diǎn)的定位基本準(zhǔn)確，藍(lán)色的仿真定位的點(diǎn)與實(shí)際的紅色點(diǎn)位置基本相同。

(2)如下表是仿真定位出的節(jié)點(diǎn)與實(shí)際節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)對比

表2.3.1

左邊為實(shí)際點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，右為定位出點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，可以看出誤差較小，定位結(jié)果較好

(3)如圖是仿真定位節(jié)點(diǎn)與實(shí)際節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的誤差

可以看出節(jié)點(diǎn)定位絕對誤差較小，最大也沒有超過0.5，誤差基本在0.2到0.1之間。

2.4 仿真結(jié)果分析

上面圖表及圖我們可以清楚的看出來定位算法的效果來，表2.3.1仿真結(jié)果可以直觀的看出來未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和定位后節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的比較，圖2.3.1我們可以清楚的看出來每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)荊定位后的誤差，誤差是定位出來的點(diǎn)的位置與實(shí)際點(diǎn)的位置的距離占節(jié)點(diǎn)通信距離的百分比仿真結(jié)果從不同的側(cè)面反映出本定位算法的精度頗高。

3 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器中節(jié)點(diǎn)的位置定位在傳感器組織體系中時(shí)非常重要的。主要針對路由、跟蹤、傳感的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)有著承前啟后的作用。在各種網(wǎng)絡(luò)和錯(cuò)綜復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)中要保持低能耗確實(shí)還是有一定難度的，總之隨著對不同傳感器的持續(xù)探究，一系列的技術(shù)重難點(diǎn)將逐個(gè)攻破，所以未來它將有更加廣闊的市場發(fā)展空間和需求。

[1] 崔遜學(xué),左從菊,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程[M],清華大學(xué)出版社 2009.56-78.

[2] 孫利民,李建中,陳瑜,等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社.2005.5.87-104.

[3] 李曉維.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社.2007.8.126-143

袁春艷（1987-），陜西西安人，碩士研究生，西安財(cái)經(jīng)學(xué)院行知學(xué)院教師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

Wireless sensor network node localization algorithm based on dis tance

Yuan Chunyan
(Xi'an Institute of Finance and Economics Xingzhi college, 710038)

Due to the existing multipath, interference,keep out,and other factors the RSS ranging accuracy is low.We need Reasonable algorithm to reduce the Location error affect the precision,Through the experimen ts and change parameter can achieve good simulation results.

localization;wireless sensor network;distanceReceived Signal Strength

圖2.3.1