基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法的改進

劉 軍,王 超

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,沈陽 110159)

基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法的改進

劉 軍,王 超

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,沈陽 110159)

為提高質(zhì)心算法的定位精度,在質(zhì)心定位算法中采用距離加權(quán)的同時,改進了距離加權(quán)因子,提高了距離加權(quán)的比重,并且在Matlab平臺上仿真。結(jié)果顯示將定位誤差提升到了0.1m以內(nèi)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);質(zhì)心定位;加權(quán)因子;定位精度

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)是一種通過傳感器組網(wǎng),用定位算法計算目標(biāo)位置,并將其數(shù)據(jù)傳送到管理終端的一種技術(shù),近年來廣泛應(yīng)用于智能交通、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等領(lǐng)域。目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位常用的定位算法主要有基于測距和非測距兩類,測距類算法主要有三邊測量法、三角測量法、最大似然估計等,非測距類算法主要有質(zhì)心算法、幾何約束、DV-HOP、MDS-MAP等。

目前,國內(nèi)外對傳感器節(jié)點定位技術(shù)做了很多研究,文獻[1]提出將基于RSSI的測距技術(shù)與無需測距的質(zhì)心算法進行結(jié)合,即加權(quán)質(zhì)心定位算法,將定位精度理論上提高到了0.11m到0.45m的范圍內(nèi)。文獻[2]提出一種基于信號強度比值的加權(quán)質(zhì)心定位算法,將信號強度值作為加權(quán)因子進行定位計算。文獻[3]提出將加權(quán)因子的距離和的倒數(shù)改為距離倒數(shù)之和,同時根據(jù)測試距離給出修正因子。文獻[4]提出一種基于RSSI均值的等邊三角形定位算法,并引入RSSI值敏感區(qū)和非敏感區(qū)的概念,采用高斯模型對非敏感區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理,解決了RSSI易受干擾的問題。文獻[5]分析了RSSI的測距遠離,提出采用加權(quán)和均值法消除環(huán)境因素對RSSI測量的影響。文獻[6]提出了定位參考點優(yōu)化選擇算法,文獻[7]采用校正技術(shù)測量節(jié)點之間的距離,并優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點的方法提升了定位效果。文獻[8]提出一種多用戶RSSI差值定位算法。本文對文獻[1]提出的加權(quán)質(zhì)心算法進行了研究,在此基礎(chǔ)上進行改進,從而使定位更加精確。

1 算法模型

1.1 RSSI信號傳播模型

PL(d)=PL0+10nlog10(d/d0)+Xσ

(1)

式中:PL(d)為信號經(jīng)過距離d后的路徑損耗,dBm;PL0為信號傳輸d0的路徑損耗;n為路徑衰減因子,一般取2～5;Xσ為平均值為0的高斯分布隨機數(shù),其標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4～10。因此節(jié)點收到的RSSI值為[3]

RSSI=Ps+PA=PL(d)

(2)

式中,Ps為發(fā)射信號的功率值,PA為天線的增益。由此可見,距離越遠,信號的衰弱就會加劇。

1.2 基于RSSI的質(zhì)心算法

質(zhì)心算法是根據(jù)移動節(jié)點接收到的周圍錨節(jié)點的RSSI值,判斷其周圍最近的三個或四個錨節(jié)點,再根據(jù)已知的錨節(jié)點的坐標(biāo),即可算出幾個錨節(jié)點的幾何質(zhì)心,把幾何質(zhì)心作為估計移動節(jié)點的位置。其數(shù)學(xué)模型為:已知錨節(jié)點的坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),……,(xn,yn),則移動節(jié)點的坐標(biāo)為[1]

(3)

當(dāng)移動節(jié)點根據(jù)周圍錨節(jié)點的RSSI值,即接收信號強度值大小來判斷距離其最近的四個錨節(jié)點時,則移動節(jié)點的坐標(biāo)位置被估計為這四個錨節(jié)點的幾何質(zhì)心,此時移動節(jié)點的坐標(biāo)為

(4)

M1、M2、M3、M4四個錨節(jié)點形成矩形,移動節(jié)點和幾何質(zhì)心有一定誤差,如圖1所示。

圖1 質(zhì)心算法

1.3 加權(quán)質(zhì)心算法

由于質(zhì)心算法的誤差較大,所以發(fā)展出了加權(quán)質(zhì)心算法,即將移動節(jié)點與錨節(jié)點的距離考慮進來,不同錨節(jié)點根據(jù)距離不同對移動節(jié)點的影響不同。利用Zigbee等無線通信技術(shù),移動節(jié)點與錨節(jié)點之間可組成無線通信網(wǎng)絡(luò),當(dāng)移動節(jié)點接收到錨節(jié)點發(fā)出的信號時,可根據(jù)信號強度值與距離d的關(guān)系計算出距離d的值,從而進行加權(quán)計算。則該算法的數(shù)學(xué)模型如下:

已知錨節(jié)點的坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),……,(xn,yn),移動節(jié)點與錨節(jié)點的距離為d1,d2,d3,……,dn,則移動節(jié)點的坐標(biāo)為

(5)

當(dāng)移動節(jié)點根據(jù)距離遠近選出與其最近的四個錨節(jié)點時,則移動節(jié)點的坐標(biāo)為

(6)

2 加權(quán)質(zhì)心算法的改進

加權(quán)質(zhì)心算法雖然在質(zhì)心算法的基礎(chǔ)上有了改進,但是仍有很大提高空間。在此基礎(chǔ)上,將加權(quán)因子進行改進,增加距離加權(quán)的比重,使距離因子對定位的影響更大,即將加權(quán)因子距離的倒數(shù)變?yōu)榫嚯x平方的倒數(shù),則算法的數(shù)學(xué)模型變?yōu)?/p>

(7)

選取移動節(jié)點周圍的距離最近的五個錨節(jié)點進行加權(quán)計算,在Matlab平臺上進行驗證,結(jié)果如圖2所示。

圖2 加權(quán)質(zhì)心算法改進

圖3所示為三種不同算法的質(zhì)心誤差對比。

圖3 質(zhì)心誤差對比

圖3中實線代表普通質(zhì)心;虛線代表加權(quán)質(zhì)心;長虛線代表改進后的加權(quán)質(zhì)心。由圖3可見,改進后的加權(quán)質(zhì)心誤差又比原來提高了很多,更接近移動節(jié)點真實位置。

3 改進算法的執(zhí)行步驟

改進算法執(zhí)行步驟如下:

步驟1 移動節(jié)點根據(jù)RSSI值選擇距離最近的幾個錨節(jié)點。

步驟2 錨節(jié)點發(fā)送ID號及位置信息到移動節(jié)點。

步驟3 移動節(jié)點將接收到的信息分類,形成以下幾個集合:

(1)錨節(jié)點集合{M1,M2,M3,M4,……,Mn};

(2)錨節(jié)點位置信息集合{(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),……,(xn,yn)};

(3)錨節(jié)點RSSI值集合{ RSSI1,RSSI2,RSSI3,……,RSSIn}。

步驟4 將錨節(jié)點的RSSI值換算成距離d。

步驟5 用改進的加權(quán)質(zhì)心算法進行定位計算。

步驟6 根據(jù)誤差公式

4 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)改進后的加權(quán)質(zhì)心算法的定位精度有了較大提高,使定位誤差提升到了0.1m以內(nèi),相較于原來的加權(quán)質(zhì)心算法,定位精度提高了34%～84%。

[1]張嬋愛,馬艷艷,白鳳娥,等.基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法的實現(xiàn)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2009,40(2):146-147.

[2]楊新宇,孔慶如,戴湘軍.一種改進的加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2010,44(8):1-4.

[3]王振朝,張琦,張峰.基于RSSI測距的改進加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].電測與儀表,2014,51(21):63-66.

[4]趙海,朱劍,孫佩剛,等.基于RSSI均值的等邊三角形定位算法[J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,28(8);1094-1097.

[5]方震,趙湛,郭鵬,等.基于RSSI測距分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(11);2526-2530.

[6]周艷,趙海,張君.普適計算中的定位誤差分析[J].電子學(xué)報,2009,37(2):382-386.

[7]施偉,高軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI的改進加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].2015,32(12):68-70.

[8]Xu Yan,Shi Jiang-hong,Wu Xiao-fang.An improved localization algorithm based on RSSI-margin in WSN[J].Journal of Xiamen University(Nature Science),2008,47(3):361-364.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

TheImprovementofWeightedCentroidLocalizationAlgorithmBasedonRSSI

LIU Jun,WANG Chao

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To improve the localization accuracy of the centroid algorithm,utilizing the distance weighted factors in the centroid localization algorithm,we researched on improving and increasing the proportion of distance weighted factor,and simulated this algorithm in Matlab.The experimental results manifested that the new algorithm had improved the localization error to within 0.1 meters.Keywordswireless sensor network;centroid localization;weighted factor;localization accuracy

Signal Strength Indication)即接收信號強度指示,當(dāng)發(fā)送節(jié)點發(fā)送信號到接收節(jié)點時,信號強度隨著距離的變長會逐漸衰減,其衰減的數(shù)學(xué)模型如下[3]:

2016-12-08

遼寧省科技計劃資助項目(2015020032)；遼寧省教育廳科學(xué)研究資助項目(LG201622，LG201610)

劉軍(1972—)，男，副教授，博士，研究方向：智能傳感器與檢測技術(shù)，圖像與信號處理。

1003-1251(2017)04-0011-03

TP391.4

A