基于RSSI的無線傳感器網絡距離修正定位算法

摘 要：節點自身定位是無線傳感器網絡目標定位的基礎。無線傳感器網絡節點定位算法包括基于距離和距離無關兩類。其中基于RSSI 的定位算法由于實現簡單而被廣泛使用，但RSSI 方法的測距誤差較大，從而影響了節點定位精度。提出了一種基于RSSI 的無線傳感器網絡距離修正定位算法。該算法通過RSSI 測距，計算近似質心的位置，以此為參考點進行距離修正，然后確定節點的位置。仿真結果表明該算法可以提高節點定位精度。

　　0 引言

　　對于大多數無線傳感器網絡應用來說，沒有位置信息的數據是毫無意義的。無線傳感器網絡目標定位跟蹤的前提是節點自身定位。無線傳感器網絡節點定位算法可分為基于距離和距離無關兩大類，基于距離的定位算法主要有RSSI、TOA、TDOA、AOA 等，距離無關的定位算法主要有質心算法、DV-hop 算法、凸規劃、MDS-MAP 等。

　　RSSI 測距無需額外硬件，實現簡單，具備低功耗、低成本等特點，應用十分廣泛。RSSI 的技術原理是已知錨節點發射信號的強度，根據未知節點接收到的信號強度，利用信號傳播模型計算兩點的距離。由于存在多徑、干擾、遮擋等因素，RSSI 測距的精度較低，必須采用各種算法來減小測距誤差對定位精度的影響，因而提出了一種基于RSSI 測距的無線傳感器網絡距離修正定位算法，可有效減小RSSI 測距誤差對節點定位精度的影響。

　　1 算法模型

　　1.1 無線信號傳播模型

　　RSSI 測距使用的無線信號傳播模型包括經驗模型和理論模型，理論模型是在大量經驗模型數據的基礎上總結提煉而成的。

　　對于經驗模型，首先要按照一定的密度選取參考點，建立信號強度與到某個信標點距離的映射矩陣，在實際定位時根據測得的信號強度與映射矩陣進行對比，并采用數學擬合方式確定待測節點到錨節點的距離。

　　無線信號傳播理論模型主要有自由空間傳播模型、對數距離路徑損耗模型、對數-常態分布模型等，其中對數-常態分布模型的使用最為廣泛。

　　對數-常態分布模型如式（1）所示：

　　其中n 是路徑損耗指數，表明路徑損耗隨距離增長的速率，范圍在2~6 之間。d0 為近地參考距離，由測試決定。式（1）能夠預測出當距離為d 時接收到的平均能量。由于相同距離d 的情況下，不同位置的周圍環境差距非常大因而引入了Xσ，Xσ 是一個平均值為0 的高斯分布變量。

　　為了更好地描述距離修正定位算法，這里提出兩個合理的假設條件：

　　①由于各種障礙物的影響，絕大多數實際情況中，式（1）預測出的PL（d）[dB]比實際信號能量偏大；②當距離d 增大時，PL（d）[dB]與實際損耗能量的相對偏差也會增大。

　　1.2 確定相交區域質心的數學模型

　　已知三個節點A、B、C 的坐標為（xa, ya）、（xb, yb）和（xc,yc），節點O到他們的距離為ra、rb 和rc，假設節點O的坐標（xo, yo），則（xo, yo）的數值可通過式（2）得出，也就是說以A、B 和C 三點為圓心，以ra、rb 和rc 為半徑作圓，則三圓將相交與點O，如圖1（a）所示。

圖1 三圓相交情況。