基于狹長區(qū)域中無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)分析

(重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053)

監(jiān)測環(huán)境區(qū)域不同，節(jié)點(diǎn)分布也有所差異，相應(yīng)的定位算法也有其優(yōu)劣，如質(zhì)心算法在較為均勻的節(jié)點(diǎn)分布和較高信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中較為適用，而凸規(guī)劃算法在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)放置到網(wǎng)絡(luò)邊緣的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域較為適用。本文針對鏈?zhǔn)姜M長區(qū)域，提出了以RSSI為基礎(chǔ)的定位算法PB-RSSI。

1 系統(tǒng)模型

1.1 定位模型

圖1是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位模型，黑色的兩條粗實(shí)心線主要表示監(jiān)測區(qū)域邊界，而監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域是在兩條線間。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用黑實(shí)心圓圈來表示，按照部署策略，會選擇性地在監(jiān)測區(qū)域邊界放置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)用空白圓圈來表示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位模型

1.2 感知節(jié)點(diǎn)群模型

1.2.1 術(shù)語概念

感知節(jié)點(diǎn)群是指在對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時，大多數(shù)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)能夠一起對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行感知，從而便可將感知節(jié)點(diǎn)群建立起來。RSSI是指無線信號被節(jié)點(diǎn)所接收的強(qiáng)度大小。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是指在網(wǎng)絡(luò)條件下，信標(biāo)對已知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，位置信息和節(jié)點(diǎn)ID都屬信標(biāo)節(jié)點(diǎn)[1]。

1.2.2 建立模型

如果均勻放置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，那么當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動時，定位群當(dāng)中的感知節(jié)點(diǎn)也會遵循規(guī)律，發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)全部傳感器節(jié)點(diǎn)相同時，那么所建立的感知節(jié)點(diǎn)群就如圖2所示。

圖2 感知節(jié)點(diǎn)群

在圖2中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域邊界同感知區(qū)域在A和B，C和D等4點(diǎn)相交，傳感節(jié)點(diǎn)的通信半徑用r來表示，在垂直方向，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到邊界距離用h來表示，兩鄰居節(jié)點(diǎn)間距離用d來表示，沿監(jiān)測的區(qū)域邊界，兩鄰居節(jié)點(diǎn)間直線的距離用dc來表示。假若處于t時刻，那么目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會在Ai到Ai+1間移動。以下即建立的感知群算法。第一，將監(jiān)測區(qū)域的地理形狀輸入到其中；第二，將全部的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)輸入其中，分類時遵循上升的順序；第三，按照目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動的狀態(tài)對坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；第四，對A和B，C和D四點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。對以上坐標(biāo)范圍的定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選[2]。

2 在RSSI基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的PB-RSSI

2.1 垂直平分分割法

在垂直平分線上，使用定位分割方法，其原理如圖3所示。

圖3 定位分割方法

在圖3中，傳感節(jié)點(diǎn)用黑色實(shí)心點(diǎn)表示，在狹長監(jiān)測區(qū)域邊界上放置，即圖中黑色粗線。監(jiān)測區(qū)域中包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。PB和APIT相同，均是從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)得到的信號強(qiáng)度RSSI值對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，具體原理如下。第一，傳感節(jié)點(diǎn)Aj和Ai同時對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)TN進(jìn)行探測，那么節(jié)點(diǎn)Aj和Ai可用直線來連線。第二，對AiAj的垂直平分線進(jìn)行繪制，表示時用到PBij。PBij可劃分監(jiān)測區(qū)域，使其變成Rj以及Ri兩個子區(qū)域，其中，離節(jié)點(diǎn)Ai較近的是Ri，離節(jié)點(diǎn)Aj最近的是Rj。第三，按照目標(biāo)節(jié)點(diǎn)RSSI將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的TN位置確定下來，Ai從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)TN接收到的信號強(qiáng)度用RSSI(Ai)來表示，Aj從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)TN接收到的信號強(qiáng)度用RSSI(Aj)來表示。一旦RSSI(Aj)RSSI(Ai)，那么子區(qū)域Rj即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)TN的位置[3]。

2.2 設(shè)計(jì)PB-RSSI算法

針對鏈?zhǔn)降谋O(jiān)測區(qū)域，提出了PB-RSSI算法。這一算法有兩個步驟，即對感知節(jié)點(diǎn)群進(jìn)行尋找，并在此基礎(chǔ)上對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，而后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的感知。在實(shí)際中，需將全部信標(biāo)節(jié)點(diǎn)找到，而后按照信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所接受的RSSI對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位[4]。具體的PB-RSSI步驟是：第一，對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行尋找；第二，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)需對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號進(jìn)行接收，得到相應(yīng)的信號強(qiáng)度值；第三，應(yīng)用到PB分割法對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行分割，得到最小分割的區(qū)域；最后，對這一分割區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并將其當(dāng)作目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置。一般情況下，兩大因素會影響到PB-RSSI定位的精度，包括分割區(qū)域節(jié)點(diǎn)的密度以及傳感器節(jié)點(diǎn)信號發(fā)送的信號強(qiáng)度，而最關(guān)鍵的一個因素就是分割區(qū)域節(jié)點(diǎn)的密度[2]。可以說，在監(jiān)測區(qū)域當(dāng)中，越大的定位節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地有越多的分割區(qū)域，越高的定位精度。而傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信方式以及硬件結(jié)構(gòu)會在一定程度上影響到傳感器節(jié)點(diǎn)信號接收的信號強(qiáng)度[6]。

3 評價性能

3.1 評價的方法

從某種角度來講，地下隧道對礦工進(jìn)行定位起到了至關(guān)重要的作用，通過沿隧道，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可將定位節(jié)點(diǎn)放置到礦工身上，以此來對礦工進(jìn)行定位。這一鏈?zhǔn)綗o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位模型較為典型，可借助仿真軟件對地下隧道礦工情況進(jìn)行模擬，并對比APIT的定位算法，對PB-RSSI算法定位的性能進(jìn)行評估[7]。

為了對定位算法性能進(jìn)行評估，無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)可對多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行利用，在此，為了達(dá)到這一目標(biāo)，可對相對位置的誤差進(jìn)行利用[8]。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)

定位仿真參數(shù)如表1所示。

表1 定位仿真參數(shù)

3.3 分析仿真結(jié)果

3.3.1 對比兩算法的定位誤差

從表2可以了解到，相比于APIT算法，PB-RSSI算法最后定位區(qū)域更小，而且定位精度更高。

表2 算法誤差表

3.3.2 多目標(biāo)的仿真結(jié)果

若10個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)存在于狹長的監(jiān)測區(qū)域當(dāng)中，需要預(yù)先設(shè)定坐標(biāo)。在這種情況下，以下因素會在一定程度上影響到APIT以及PB-RSSI的性能，包括節(jié)點(diǎn)密度以及通信半徑R。

通信半徑帶來的影響:從實(shí)際中，當(dāng)通信半徑R出現(xiàn)變化時，不會給PB-RSSI造成太大的定位誤差影響，而且通信半徑基本上不會影響到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位的誤差。此外，APIT有比較大的誤差，而PB-RSSI僅有很小的定位誤差。

定位精度所受到的節(jié)點(diǎn)密度影響:節(jié)點(diǎn)的密度大小同鄰節(jié)點(diǎn)的水平距離d是一種水平關(guān)系，越大的水平距離，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)密度會減少。圖4是節(jié)點(diǎn)水平距離同定位誤差的函數(shù)關(guān)系圖。

圖4 節(jié)點(diǎn)水平距離同定位誤差的函數(shù)關(guān)系圖

從圖4我們可以發(fā)現(xiàn)：第一，不管是何種算法，當(dāng)d增加時，定位誤差也會相應(yīng)地有所增加，這是由于當(dāng)d增加時，會相應(yīng)地減少節(jié)點(diǎn)感知群包含的節(jié)點(diǎn)，而這樣就會使定位精度降低；第二，相比于APIT這一算法，PB-RSSI算法的定位算法還是偏大。最后，同APIT算法相比起來，PB-RSSI算法并不會有太大的定位誤差范圍。

4 結(jié)語

總而言之，作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一種關(guān)鍵技術(shù)，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用。而在實(shí)際應(yīng)用的過程當(dāng)中，都是將節(jié)點(diǎn)位置信息當(dāng)作基礎(chǔ)和前提，由于傳感器節(jié)點(diǎn)僅有極其有限的能量，因此在對節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)進(jìn)行研究時，除了要滿足能量消耗低這一要求，而且要確保盡可能高的定位精度。在本文中，分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域特點(diǎn)，并在RSSI基礎(chǔ)上提出了距離無關(guān)定位算法。這一算法在設(shè)計(jì)時主要考慮了兩大方面，即定位精度以及能量消耗。從具體應(yīng)用的情況來看，其能夠使節(jié)點(diǎn)的使用時間有效地延長。

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