專利名稱：一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位領(lǐng)域，特別是距離相關(guān)的基于接收信號強度指示的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位，即一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)起源于越戰(zhàn)時期美軍用于監(jiān)測對方軍車的傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)。21世紀(jì)以來，隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)步入了第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署區(qū)域內(nèi)大量微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個自組織的分布式網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)不同位置的物理信息(溫濕度、空氣污染物、壓力等)。由于其自身的特點和應(yīng)用的特殊性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)易受能量、通信能力、計算和存儲能力約束，同時它還有大規(guī)模、動態(tài)性、可靠、應(yīng)用相關(guān)、以數(shù)據(jù)為中心等特點?；谝陨咸攸c，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于軍事、交通監(jiān)控、農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)和智能家居等領(lǐng)域。在大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，傳感器節(jié)點的位置信息都是至關(guān)重要的，否則其失去應(yīng)用價值。例如，如果沒有節(jié)點的位置信息，應(yīng)用于軍事部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)就不能滿足相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)需求，延誤戰(zhàn)機；如果沒有節(jié)點的位置信息，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)就不能高效地監(jiān)控和預(yù)防病蟲鳥獸、惡劣天氣等災(zāi)害。如果沒有節(jié)點的位置信息，應(yīng)用于交通監(jiān)管的傳感器網(wǎng)絡(luò)就不能有效避免交通擁堵甚至交通事故。同時，對于某些基于位置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，節(jié)點的位置信息也具有重大的意義。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，相關(guān)文獻(xiàn)基于不同的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了分類。其中最多的一種分類方法以距離為標(biāo)準(zhǔn)，分為距離相關(guān)的定位方法和距離無關(guān)的定位方法。前者利用節(jié)點間的實際距離進(jìn)行坐標(biāo)計算；后者利用節(jié)點間跳數(shù)等估計距離計算未知節(jié)點坐標(biāo)。另外，以信標(biāo)節(jié)點為標(biāo)準(zhǔn)，無線傳感器節(jié)點定位方法可以分為基于信標(biāo)節(jié)點的定位方法和信標(biāo)節(jié)點無關(guān)的定位方法；以坐標(biāo)計算方式為標(biāo)準(zhǔn)，無線傳感器節(jié)點定位方法可以分為集中式定位和分布式定位。本發(fā)明中涉及的基于接收信號強度指示的定位方法屬于距離相關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的接收信號強度指示可以用于測量節(jié)點間的距離，從而通過相應(yīng)定位算法得到未知節(jié)點的位置信息。但是由于射頻信號在空氣中傳播遇到多徑效應(yīng)、繞射、反射等干擾，這種定位方法在實際環(huán)境中仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。接收信號的強度信息由直達(dá)波和非直達(dá)波疊加而成，由于室內(nèi)環(huán)境存在復(fù)雜的多徑效應(yīng)，接收節(jié)點處的接收信號有不同的疊加結(jié)果，根據(jù)多徑相位的不同，接收信號既可能增強也可能減弱。此外，接收信號的強度還受到帶限系統(tǒng)信號帶寬的限制。綜上所述，室內(nèi)定位面臨著復(fù)雜的環(huán)境干擾(反射、折射和衍射等)，這些干擾造成了接收信號強度指示的不穩(wěn)定性和時變性。

基于接收信號強度指示的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法分為兩種:一種是基于信號強度指紋匹配的非參數(shù)化定位方法；一種是基于對數(shù)距離路徑損耗模型的參數(shù)化定位方法。近年來，國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)針對不同的應(yīng)用挑戰(zhàn)提出了不同的定位算法或方案。Fang和Lin提出了一種不同于傳統(tǒng)卡爾曼濾波的動態(tài)定位系統(tǒng)，這種方法利用接收信號強度的時間序列代替信號強度值來重建系統(tǒng)狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的性能。此外，F(xiàn)ang和Lin還提出了另外一種改進(jìn)方法:通過調(diào)查研究室內(nèi)環(huán)境的信號噪聲源，從接收信號強度中提取魯棒性好的信號特征用來定位，以減輕多徑干擾。Ahn和Yu提出一種環(huán)境自適應(yīng)定位方法，該方法通過實時更新信號衰減參數(shù)，來克服室內(nèi)環(huán)境中信號衰減參數(shù)不穩(wěn)定的缺點。Zhang和Yu提出一種使用定向天線的定位機制，該機制利用定向天線把信號強度集中到某個限定方向，增大發(fā)射信號強度增益，以此來提高定位精度。以上方法雖然都取得了一定的優(yōu)化效果，但是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中仍然存在著許多缺陷。例如，定向天線并不能保證其輻射方向覆蓋了未知節(jié)點；動態(tài)更新信號衰減參數(shù)存在信號時延；指紋匹配定位方法存在誤匹配現(xiàn)象；室內(nèi)環(huán)境噪聲分布未知等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目 的是為了解決上述問題，提供一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，通過標(biāo)定信號衰減參數(shù)，利用自助重抽樣法構(gòu)造測量距離的置信區(qū)間，在集員估計框架下對置信區(qū)間構(gòu)成的可行解集利用區(qū)間分析計算未知節(jié)點的估計坐標(biāo)。本發(fā)明通過以下步驟來實現(xiàn):步驟一:提取室內(nèi)環(huán)境的射頻信號衰減參數(shù)；步驟二:采集未知節(jié)點的接收信號強度樣本；步驟三:由自助法對信號強度原始數(shù)據(jù)樣本重抽樣，構(gòu)造測量距離置信區(qū)間；步驟四:計算節(jié)點位置信息在集員估計框架下的可行解集；步驟五:對未知節(jié)點的估計坐標(biāo)可行解集進(jìn)行區(qū)間分析，計算未知節(jié)點估計坐標(biāo)。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)本發(fā)明通過對室內(nèi)定位干擾源采取相應(yīng)防御措施，有效降低了多徑效應(yīng)等干擾源對定位性能的不良影響；(2)利用自助法構(gòu)造測量距離的置信區(qū)間，代替?zhèn)鹘y(tǒng)基于距離定位的距離點估計，提高了定位結(jié)果的精度和魯棒性。同時，采用自助法可以降低因建立大樣本容量的接收信號強度而造成的能量消耗；(3)集員估計框架下對未知節(jié)點坐標(biāo)的可行解集進(jìn)行區(qū)間分析，可以降低對復(fù)雜環(huán)境噪聲分布及先驗信息的需求，同時這種方法更適用于實際部署環(huán)境。


圖1為本發(fā)明實施步驟流程圖；圖2為本發(fā)明中不同節(jié)點部署高度影響測距精度的誤差對比圖；圖3為本發(fā)明中驗證天線方向影響測距精度的節(jié)點部署示意圖；圖4為本發(fā)明中天線方向性驗證的結(jié)果對比圖；圖5為本發(fā)明中偶極子天線的輻射強度方向圖6為本發(fā)明中驗證天線放置角度影響測距精度的誤差對比圖；圖7為本發(fā)明中驗證節(jié)點間距離影響測距精度的誤差對比圖。圖8為本發(fā)明中簡化未知節(jié)點坐標(biāo)可行解集示意圖；圖9為本發(fā)明中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未知節(jié)點定位的實例圖；圖10為本發(fā)明中不同定位方法的定位誤差對比圖；圖11為本發(fā)明中不同定位方法的定位覆蓋率對比圖。圖12為本發(fā)明中不同定位方法的定位魯棒性對比圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，流程如圖1所示，通過以下步驟來實現(xiàn):步驟一:提取室內(nèi)環(huán)境的射頻信號衰減參數(shù)；本發(fā)明的測距方法基于對數(shù)距離路徑損耗模型，該方法利用接收信號強度指示與信號傳播距離之間的模型關(guān)系，在獲得未知節(jié)點間接收信號強度的基礎(chǔ)上，估計其與信標(biāo)節(jié)點的距離。室內(nèi)對數(shù)距離路徑損耗滿足以下公式:PL (dB) =PL (d0) (dB) +10 Y 1g10 (d/d0) +X。(dB) (I)其中，PL為路徑損耗；PL(dQ)為參考距離dQ處的信號強度；d為信號傳播距離；X。為標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)隨機變量；而Υ為本發(fā)明所要獲取的先驗信息信號衰減參數(shù)。對于同一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，該射頻信號衰減參數(shù)隨不同的部署環(huán)境變化。因此，本發(fā)明需要進(jìn)行多次實驗來標(biāo)定該參數(shù)，具體步驟為:①在部署區(qū)域建立1+η個相等間隔的接收信號強度采樣點；由于該先驗性參數(shù)需要通過多次實驗來提取，所以本發(fā)明建立等間隔采樣點用于在后續(xù)實驗中擬合信號衰減參數(shù)。②在第一個采樣點處部署發(fā)射信號節(jié)點，然后在其余η個采樣點依次使用相同的接收信號節(jié)點進(jìn)行信號強度采樣m次，最后對每個采樣點的樣本求均值& ；③利用對數(shù)距離路徑損耗公式對所有采樣點的接收信號強度灼值進(jìn)行擬合，得到信號衰減參數(shù)Y。步驟二:未知節(jié)點的接收信號強度樣本采集；考慮到室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，本發(fā)明通過理論分析和實驗驗證來降低多徑效應(yīng)對測距結(jié)果的干擾。具體考慮因素為:①地面反射地面對于節(jié)點天線來說構(gòu)成一個鏡像天線，這種鏡像天線形成的輻射源干擾了節(jié)點的天線輻射。另外，部分無線電波會被地面吸收，造成吸收損耗?？紤]節(jié)點距離地面的高度，本發(fā)明進(jìn)行了一系列測距對比實驗，以三組不同節(jié)點部署高度為考慮參數(shù)，測距精度如圖2所示。從圖2可以看出，隨著節(jié)點離地面的高度值越大，測距誤差越小。②天線方向?qū)τ诶硐朦c 源天線，其全向天線方向圖在不同方向的輻射功率是相同的。但是由于實際應(yīng)用中不存在理想點源天線，單極天線上電流的分布不均勻?qū)е缕湓诓煌较虻妮椛涔β什煌Ｒ虼?，對于相同的信號衰減參數(shù)，節(jié)點天線不同的輻射方向測距結(jié)果不同。為此，本發(fā)明通過圖3中示意的實驗分別在節(jié)點距離0.5米和I米時驗證天線方向性。首先，固定接收信號節(jié)點的天線方向，將發(fā)射信號節(jié)點天線方向等間隔旋轉(zhuǎn)360度，記錄每個角度時接收節(jié)點的信號強度；然后，將發(fā)射信號節(jié)點固定，對接收信號節(jié)點的不同天線方向記錄其接收信號強度；最終得到圖4中的天線方向圖。由圖4可知，同一個天線在不同的發(fā)射/接收方向其接收信號強度不同，因此為了達(dá)到較高的測距精度，本發(fā)明需要挑選方向性較好(全向輻射功率差< 5dbm)的傳感器節(jié)點。③天線角度偶極天線的電荷沿直導(dǎo)體的往返簡諧加速(或減速)運動形成對外的輻射，形成圖5中的輻射示意圖。本發(fā)明所使用的天線是單級天線，其三維輻射圖為對應(yīng)偶極天線輻射圖的上半部分。因此，由于子午面(垂直于X、Y面)內(nèi)不同角度天線輻射功率不同，不同的節(jié)點放置方式(垂直或平行)造成了不同的輻射能量分布。本發(fā)明對此分析進(jìn)行了實驗驗證(節(jié)點天線垂直于地面和平行于地面)，測距誤差如圖6所示。④節(jié)點間距在自由空間中，無線電波在傳輸距離上沒有損耗，只有擴(kuò)散損耗。但是在實際應(yīng)用中，由于地面反射、建筑物遮擋等造成的多徑效應(yīng)，無線電波傳輸?shù)木嚯xd越大，其經(jīng)過的障礙物越多，受到的影響也越大。因此，節(jié)點間距對測距精度也有影響，且隨著間距的增大，測距精度降低。本發(fā)明通過室內(nèi)一組測距數(shù)據(jù)對以上分析進(jìn)行了驗證，見圖7。綜合考慮以上因素，本發(fā)明將傳感器節(jié)點進(jìn)行如下配置:距地面2米高放置；挑選方向性好(全向輻射功率差< 5dbm)的傳感器節(jié)點；使節(jié)點天線垂直于地平面；剔除節(jié)點測量距離大于閾值的參考節(jié)點。未知節(jié)點利用以上配置采集部署區(qū)域內(nèi)可參考信標(biāo)節(jié)點的接收信號強度。步驟三:由自助法對信號強度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重抽樣，構(gòu)造測量距離置信區(qū)間；自助法是一種重抽樣技術(shù)，可用于快速構(gòu)造估計值的置信區(qū)間。本發(fā)明利用自助法對步驟二中獲得的未知節(jié)點接收信號強度樣本進(jìn)行重抽樣，并由對數(shù)距離路徑損耗模型將重抽樣樣本轉(zhuǎn)換為測量距離值，構(gòu)造出測量距離的置信區(qū)間，具體步驟如下，①未知節(jié)點連續(xù)隨機地抽取與某一信標(biāo)節(jié)點之間的原始信號強度樣本值η次，建
立一個η維的接收信號強度樣本
權(quán)利要求
1.一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于:通過以下步驟來實現(xiàn): 步驟一:提取室內(nèi)環(huán)境的射頻信號衰減參數(shù)Y; 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境建立1+n個等間隔的接收信號強度采樣點；在第I個采樣點部署發(fā)射信號節(jié)點，然后在其他η個采樣點依次使用相同的接收信號節(jié)點采樣RSSi (接收信號強度)m次，最后對每個采樣點的樣本求均值—；利用對數(shù)距離路徑損耗公式對所有采樣點接收信號強度均值進(jìn)行線性擬合，得到信號衰減參數(shù)Y ; 室內(nèi)對數(shù)距離路徑損耗滿足以下公式:PL (dB) =PL (d0) (dB) +10 Y 1g10 (d/d。)+X0 (dB) (I) 其中，PL為路徑損耗凡⑷為參考距離Cltl處的信號強度；(1為信號傳播距離；X。為標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯噪聲；而Y即為我們所求的先驗信息信號衰減參數(shù)； 步驟二:采集未知節(jié)點的接收信號強度樣本； 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域內(nèi)部署K1個信標(biāo)節(jié)點，K2個未知節(jié)點；信標(biāo)節(jié)點向未知節(jié)點廣播包含自身節(jié)點標(biāo)號及發(fā)射功率的數(shù)據(jù)包，未知節(jié)點采集其通信范圍內(nèi)k個信標(biāo)節(jié)點的信號強度； 步驟三:由自助法對信號強度原始數(shù)據(jù)樣本重抽樣，構(gòu)造測量距離置信區(qū)間； 待定位的未知節(jié)點建立其k個參考信標(biāo)節(jié)點的接收信號強度樣本，從每個樣本中隨機抽取η個樣本值，分 別對其用自助重抽樣法構(gòu)造未知節(jié)點到k個參考信標(biāo)節(jié)點的測量距離置信區(qū)間Θ1; 步驟四:計算節(jié)點位置信息在集員估計框架下的可行解集； 將所有室內(nèi)環(huán)境噪聲歸為功率有界(Unknown But Bounded)的噪聲干擾，利用集員估計求未知節(jié)點估計坐標(biāo)的可行解集；未知節(jié)點估計坐標(biāo)的可行解集由k個參考信標(biāo)節(jié)點，分別以置信區(qū)間Θ1上下界為邊長確定的圓環(huán)覆蓋區(qū)域求交集得到； 步驟五:對未知節(jié)點的估計坐標(biāo)可行解集進(jìn)行區(qū)間分析，計算未知節(jié)點估計坐標(biāo)； 將未知節(jié)點估計坐標(biāo)的可行解集分割為η個子集，對所有子集進(jìn)行區(qū)間分析，利用網(wǎng)格掃描算法求得最優(yōu)子集的質(zhì)心坐標(biāo)作為未知節(jié)點估計坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于:所述步驟三的構(gòu)造測量距離置信區(qū)間具體步驟為: (1)連續(xù)隨機地抽取未知節(jié)點與某一信標(biāo)節(jié)點之間的原始信號強度樣本η次，建立一個η維的接收信號強度樣本⑩，RSS = [RSSiJiSSz,--,RSSn); 通常情況η < 5，否則將增加節(jié)點通信能量損耗，并且樣本容量5滿足自助法的抽樣要求； (2)從兩中隨機可重復(fù)地抽取樣本單元η次，建立RSS*, ，…，計算其樣本均值作為估計值; 由于是隨機可重復(fù)地抽取樣本，所以中的某個樣本單元既可能被多次抽中，也可能一次也沒被抽中；(3)重復(fù)第(2)步N次，獲得一個N維的自助法重抽樣樣本
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于:所述步驟四中的未知節(jié)點估計坐標(biāo)可行解集，必須由三個或三個以上的距離置信區(qū)間Θ 1構(gòu)成，即j > 3 ;為了減小定位算法計算量，將每個信標(biāo)節(jié)點的圓環(huán)覆蓋區(qū)間轉(zhuǎn)換為矩形環(huán)覆蓋區(qū)間，求得的可行解集由規(guī)則矩形組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于:所述步驟五中計算未知節(jié)點估計坐標(biāo)的具體步驟為: (O由測量距離置信區(qū)間θ Μ Θ工_，Θ 1+]上下界Θ 1和Θ 1+構(gòu)成的矩形環(huán)覆蓋區(qū)域，表示為D1=Q^D1+];根據(jù)區(qū)間的運算法則，兩個區(qū)間的交集可以表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于接收信號強度指示的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，包括以下步驟步驟一、提取室內(nèi)射頻信號衰減參數(shù)；步驟二、采集接收信號強度樣本；步驟三、由自助法構(gòu)造測量距離的置信區(qū)間；步驟四、計算未知節(jié)點估計坐標(biāo)在集員估計框架下的可行解集；步驟五、對可行解集進(jìn)行區(qū)間分析計算節(jié)點坐標(biāo)。本發(fā)明在距離估算過程中，利用自助法構(gòu)造距離置信區(qū)間，在提高定位精度、魯棒性的同時減小了節(jié)點能量消耗；在定位過程中，利用集員估計對節(jié)點坐標(biāo)的可行解集進(jìn)行區(qū)間分析，計算得到未知節(jié)點的估計坐標(biāo)。
文檔編號H04W64/00GK103237344SQ20131011864
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者于寧, 李立功, 任永吉, 馮仁劍, 吳銀鋒, 萬江文 申請人:北京航空航天大學(xué)