基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位研究

鄭 春，張繼山

(安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大數(shù)據(jù)信息采集和傳輸，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)性和分布式協(xié)同濾波特性實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)集成調(diào)度，可以完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、在線物理信息采集和信息融合等功能，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支持下，采用無(wú)線傳感通信方法進(jìn)行大數(shù)據(jù)的傳輸和調(diào)度，提高網(wǎng)絡(luò)通信能力和數(shù)據(jù) 傳輸?shù)目垢蓴_能力[1].無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位是實(shí)現(xiàn)智能家居控制、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)構(gòu)造的關(guān)鍵，傳統(tǒng)方法中，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的方法主要采用基于協(xié)同Kalman濾波無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位方法、隨機(jī)鏈路分配的室內(nèi)定位方法等，提取傳感通信大數(shù)據(jù)的頻域相關(guān)性特征量，采用協(xié)同Kalman濾波算法實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位[2]，但上述方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的自適應(yīng)性不好，隨機(jī)組網(wǎng)性不強(qiáng)，對(duì)此，本文提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位方法.構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署模型，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位優(yōu)化，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了該方法在提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位能力方面的優(yōu)越性能.

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的節(jié)點(diǎn)分布模型和特征提取

1.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的節(jié)點(diǎn)分布模型

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布模型

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位優(yōu)化，需要首先構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的節(jié)點(diǎn)分配模型，根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道分配特征進(jìn)行均衡調(diào)度和節(jié)點(diǎn)傳輸性能分析，無(wú)線傳感通信信道屬于多徑信道，采用CSMA/CA有限競(jìng)爭(zhēng)的信道分配模型進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道均衡配置，在網(wǎng)絡(luò)的上行和下行通信鏈路中進(jìn)行輸出信道的自適應(yīng)均衡分配[3]，采用時(shí)延均衡調(diào)度方法，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)分配和鏈路均衡配置模型，提高網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)節(jié)點(diǎn)自主定位能力，根據(jù)上述分析，構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布模型，如圖1所示.

(1)

(2)

采用網(wǎng)格均衡分配方法，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格覆蓋區(qū)域分為K·的塊，求解傳感器節(jié)點(diǎn)定位的測(cè)度信息，得到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的迭代學(xué)習(xí)方程為：

(3)

式中，T表示迭代時(shí)間，根據(jù)兩相鄰網(wǎng)格間的信道分配特征，構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署模型，采用能量負(fù)載均衡控制方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)，在連通圖區(qū)域中，將網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道分配到監(jiān)測(cè)區(qū)域c中，形成一個(gè)信道分配子集X，根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由分布特征進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位優(yōu)化[4].

1.2 路由探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)

采用能量負(fù)載均衡控制方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)，建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)逆溌肪馀渲媚Ｐ停捎脵C(jī)器學(xué)習(xí)的算法[5]，假設(shè)t+1次學(xué)習(xí)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)oi的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)為L(zhǎng)(L≥3)，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的空間分布特性，采用路由探測(cè)協(xié)議進(jìn)行能量驅(qū)動(dòng)控制，在時(shí)間tk+1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的路由探測(cè)控制方程為：

(4)

其中，用ann(u,r1,r2,α)表示無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)u的能量均衡控制系數(shù)，根據(jù)各個(gè)時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的傳輸功率[6]，得到衰減信道下的相關(guān)功率譜特征分布為：

(5)

(6)

固定時(shí)間T傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，得到節(jié)點(diǎn)子載波同步誤差為：

(7)

(7)式中k為子載波系數(shù)，R為t時(shí)刻信號(hào)的發(fā)射功率，根據(jù)上述分析，構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由探測(cè)協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)谋忍芈蔬M(jìn)行室內(nèi)定位優(yōu)化.

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位優(yōu)化

2.1 傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的機(jī)器學(xué)習(xí)

在采用能量負(fù)載均衡控制方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位方法.根據(jù)各個(gè)傳感器之間的信道分布特性[7]，得到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位的關(guān)聯(lián)規(guī)則特征分布滿足如下：

(8)

式中，i(i=1,2,…,M)表示無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位機(jī)器學(xué)習(xí)的迭代數(shù)，對(duì)于WSN網(wǎng)絡(luò)各網(wǎng)格，刪除頂點(diǎn)v以及v相關(guān)的邊，其中k表示邊的個(gè)數(shù)，根據(jù)覆蓋優(yōu)先級(jí)ps得到無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位的學(xué)習(xí)目標(biāo)參量集描述為：

1)C?S.

2)min‖C‖.

3)?p∈A,covp≥k.

4)C中節(jié)點(diǎn)達(dá)到多連通.

5)max(tend-t0)，tend,t0分別表示無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的學(xué)習(xí)終止和起始時(shí)間.

定義1如果無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的中心聚類點(diǎn)P被k個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)覆蓋到，對(duì)于所有的相鄰網(wǎng)格M,N，存在毗鄰節(jié)點(diǎn)si和sj，兩節(jié)點(diǎn)的歐式距離表示為d(si,sj)，若d(si,sj)≤Rc，如果給定k覆蓋多連通部署區(qū)域R中的任一點(diǎn)，得到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位的自適應(yīng)跟蹤的誤差公式計(jì)算為：

(9)

(10)

(11)

(12)

其中

(13)

采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位過(guò)程中的自適應(yīng)尋優(yōu)[8]，提取無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)的能譜特征量，采用自適應(yīng)的CKF算法，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的參數(shù)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示.

圖2 節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位的機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程

2.2 網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位輸出

2)選擇最小覆蓋集C={si,…，sj,…}轉(zhuǎn)為活躍狀態(tài)，對(duì)傳感器j(1≤j≤N)的能量函數(shù)進(jìn)行譜特征分析，更新網(wǎng)格的覆蓋度，若網(wǎng)格達(dá)到k覆蓋，得到節(jié)點(diǎn)位置更新為：

(14)

(15)

在連通圖G1和G2中，得到無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)位置估計(jì)結(jié)果為：

(16)

式中，T表示估計(jì)時(shí)間，結(jié)合信息狀態(tài)分布式檢測(cè)方法，在活躍狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)定為的方位信息估計(jì)值為：

(17)

假設(shè)a1,a2∈V，b1,b2∈V'，根據(jù)能譜的聚類屬性進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位優(yōu)化，得到：

(18)

綜上分析，根據(jù)空間方位信息估計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位優(yōu)化[11].

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)方法在實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)采用Matlab設(shè)計(jì)，假設(shè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別空間分布網(wǎng)格區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)100 m*100 m的均勻正方形區(qū)域，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通信覆蓋半徑Rmax為8 m，節(jié)點(diǎn)的空間區(qū)域覆蓋參數(shù)為(1，0.54，-0.32，0.35，-0.45)，節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臅r(shí)延參數(shù)為(0，1.45，2.43，3.76，4.42)，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位優(yōu)化，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的輸出能量特征檢測(cè)結(jié)果如圖3所示.

根據(jù)能量分布，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的活躍度，得到結(jié)果如圖4所示.

圖3 節(jié)點(diǎn)的輸出能量特征檢測(cè)結(jié)果圖4 節(jié)點(diǎn)的活躍度測(cè)試

分析圖4得知，采用該方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位的活躍度較高，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)定位優(yōu)化，測(cè)試在優(yōu)化的定位路由探測(cè)協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)壽命，結(jié)果如圖5所示，分析圖5得知，該方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位的壽命周期得到提升，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和均衡性.

圖5 網(wǎng)絡(luò)壽命對(duì)比測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支持下，采用無(wú)線傳感通信方法進(jìn)行大數(shù)據(jù)的傳輸和調(diào)度，提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位方法.構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署模型，采用能量負(fù)載均衡控制方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由探測(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)，建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)逆溌肪馀渲媚Ｐ?，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位過(guò)程中的自適應(yīng)尋優(yōu)，提取無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)的能譜特征量，根據(jù)能譜的聚類屬性進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位優(yōu)化.研究得知，該方法進(jìn)行無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位能提高網(wǎng)絡(luò)的壽命周期和活躍度，定位性能較好.