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基于 R S S I 测距的信标节点 自校正定位算法 9 3 基于 R S S I 测距的信标节点自校正定位算法 高国胜 陈俊杰 李刚 东南大学 仪器科学与工程学院 江苏 南京2 1 0 0 9 6 摘要 节点定位是无线传感器网络中的重要应用之一 为 了有效抑制各种 因素对无线传感 器节点定位 精度的影响 以三边定位算法为基础 提 出了一种基 于误差校正的定位算法 该算法通过测量信标节点 之 间的距 离 获得信标节点 R S S I 值测量误差和 网络的定位误差 并对误差进行补偿 从 而提 高整个网络 的定位精度 实验结果显示 该算法能明显提高定位精度和稳定性 具有普遍应用意义 关键词 无线传感器网络 定位 信标节点 R S S I 自校正 中图分类号 T P 9 1 9 2 T P 2 1 2 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 8 8 2 9 2 0 0 9 0 8 0 0 9 3 0 5 Be a c o n No d e S e l f Tu n i n g Lo c a l i z a t i o n Al g o r i t h m Ba s e d o n RS S I G A O G u o s h e n g C H E N J u n j i e L I G a n g S c h o o l o f I n s t r u m e n t S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g S o u t h e a s t U n i v e r s i t y N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 C h i n a Ab s t r a c t Lo c a l i z a t i o n o f n o d e s i s a n i mp o r t a n t a p p l i c a t i o n o f wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k s I n o r de r t o s u p p r e s s e f f e c t i v e l y t h e e f f e c t s o f ma n i f o l d f a c t o r s t o WS N n o d e l o c a l i z a t i o n p r e c i s i o n a l o c a l i z a t i o n a l g o ri t h m b a s e d o n e r r o r c o r r e c t i o n i s p r o v i de d Er r o rs o f RS S I me a s u r e me n t a n d n e t wo r k l o c a t i o n c a l l b e g o t b y me a s u rin g t h e d i s t a n c e b e t we e n b e a c o n n o d e s t hu s t he p o s i t i o ni n g a c c u r a c y o f e n t i r e n e t wo r k c a n b e i mpr o v e d b y e r r o r c o mp e n s a t i o n Te s t s s h o w t h a t t h i s alg o r i t h m h a s t he a d v a n t a g e o f p r e c i s i o n a n d s t a bi l i z a t i o n c a n b e a p pl i e d t o ma n y a p p l i c a t i o n s Ke y wor d s wi r e l e s s s e ns o r n e t wo r k s l o c a l i z a t i o n b e a c o n n o d e RS S I s e l f t u n i n g 无线传感器网络 w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s 由部署 在监测区域 内大量 的廉价小 型或微 型传感 器节点组 成 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网 络系统 其 目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖 区域 中感知对象的信息 并发送给观察者 随着通信 技术 嵌入式计算技术 微处理技术和传感技术的飞速 发展与 1 3 益成熟 无线传感器网络开始受到广泛关注 作为其支撑技术之一的节点定位技术也在不断进步 中 节点定位在传感器网络中具有重要作用 没有节 点或事 件位 置信 息 的传 感 器 网络 有 时是 毫无 意义 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 1 6 基金项 目 江苏省普 通 高校 高新 技 术产业 发展 重点 项 目 J HB O 5 0 5 南京市科技发展计 划专项 2 0 0 7 0 1 0 6 7 苏州 市科 技攻关专项 Z X N 0 6 0 7 作者简介 高国胜 1 9 8 4 一 男 安徽省安庆人 硕士研究生 主 要研究方向为无线传感器网络 陈俊杰 1 9 5 8 一 男 江苏省南 通市人 教授 博士 博士生导师 东南大学智能信息与虚拟测 控 系统研 究所所长 主要 研 究领域 为无 线传感 器 网络 机 器人 感知及控制技 术 的 卜 根据定位过程 中是否需要测量节点之 间的距离 可以把定位算法分为 基于距离的 r a n g e b a s e d 定位 算法和与距 离无 关 的 r a n g e f r e e 定位算法 J 前者 需要测量节点之间的绝对距离或方位 并利用节点 间 的实际距离来计算未知节点的位置 使用的定位算法 有三边测量 三角测量或最大似然估计等定位算法 常 用的测距技术有 R S S I T O A T D O A和 A O A等 后者则 不需要测量节点之间的距离和角度信息 算法根据网 络连通性 等信息来实现节点定位 娟J 通常将 R S S I 测距看作为一种粗糙的测距技术 R S S I 接收信号的 强度指示 值是与距离相关的信息 它可以由传感器 节点 自身测量得到 不需要额外的硬件支持 所以如何 能够提高基于 R S S I 的定位精度是一个 比较有意义的 问题l 9 笔者充分研究 了现有的基于测距 的定位算 法 从网络定位的应用实际和信标节点分布着手提出 了一种信标节点 自 校正定位算法 把位置不确定的节 点称为盲节点 把能够提供 自己绝对位 置以及能够采 集 R S S I 信息的节点称为信标节点 9 4 测控技术1 2 0 0 9年第 2 8卷第8期 1 算法模型描述 事实上 随着人们对定位技术 的日益关注 已经有 了很多关于利用 R S S I 定位的技术和方法 如参考文献 1 1 提 出的基 于 R S S I 的测距差分修正定位算法 但 是该算法要取得较好的定位效果的前提条件是必须有 一 个已知信标节点位于盲节点附近 实际上这一条件 通常难以满足 在信标节点密度有 限的情况下 盲 节点处于信标节点附近不是一个大概率事件 实际 定位过程中通常通过 R S S I 测距来判断盲节点附近的 信标节点 但是 R S S I 测距本身存在较大误差 所以对 盲节点附近的信标节点的选取存在很大不确定性 笔者在深入研究了 R S S I 定位原理和定位系统应 用实际需求的基础上 在不增加节点硬件的情况下 通 过 R S S I 的测量得到节点距离相关信息 以三边测量定 位算法为理论基础 提出了基于 R S S I 测距的信标节点 自校正定位算法 该算法的基本思路是 利用 网络中 信标节点之间的测量距离和实际距离的比较 校正信 标节点的 R S S I 值测量误差 在此基础上信标节点之间 相互定位 再和实际坐标位置 比较 获得信标节点定位 坐标误差 并在计算过程 中引入了加权平均的思想 从 而得出网络的近似误差 1 1 无线电传播路径损耗模型分析 R S S I 值是一种指示 当前介质 中电磁波能量大小 的数值 R S S I 值随距离增加而减小 信标节点可以通 过 R S S I 值计算出未知节点与它的距离 由于传感器 节点自 身具备通信能力 通信控制芯片通常会提供测 量 R S S I 的方法 节点在收到无线数据的同时可完成 的 测量 不需要额外 的硬件资源 无线 电传播路径损耗 对于 R S S I 定位算法的定位精度有很大影响 在实际应 用环境中 由于多径 绕射 障碍物等因素 使得无线电 传播路径损耗模型十分复杂 常用的模型有 自由空间 传播模 型 f r e e s p a c e p r o p a g a t i o n mo d e 1 对数 距离路 径损耗模型 1 o g d i s t a n c e p a t h l o s s m o d e 1 哈 它模 型 h a t a mo d e 1 和对数一常态分布模型 1 o g d i s t a n c e d i s t r i b u t i o n 等 本研究综合采用 自由空间无线 电传播路 径损耗模型 f r e e s p a c e p r o p a g a t i o n m o d e 1 和对数一常 态分布模型 1 o g d i s t a n c e d i s t r i b u t i o n 自由空间无线 电传播路径损耗模型为 L o s s 3 2 4 1 0 l g d 1 0 k l g f 1 式中 d为距信源的距离 单位为 k m f为频率 单位 为 M H z i 为路径衰减因子 实际应用 中由于环境 的 复杂性和节点性能的分散性 无线 电传播路径损耗与 理论值并不十分吻合 但是下述对数一常态分布模型 将更加合理 式 2 可用于计算信标节点收到信息时 的路径损耗 e t d i t d o 1 0 k l g d d o 2 式中 d 为经过距离 d后的路径损耗 为平均 值为 0的高斯分布随机变数 其标准差范围为 4 1 0 k的范围在 2 4之间 取 d 1 m 代入式 1 可得 到 L o s s J P L d 值 这样可得各节点接收信号时的 信号强度为 R s s I P G P L d 3 式中 P为发射功率 G为天线增益 节点到信号源的距离越近 由R S S I 值的偏差产生 的绝对距离误差越小 随着距离增加 上述式 中 的影响变得很明显 由 R S S I 波动造成的绝对距离误差 将会很大 所 以 R S S I 的值越大 对 目标节点位置的决 定权就越大 根据不同的硬件平台和定位要求 可 以采用随机数模型 统计均值模型 以及高斯模型等来 分析 R S S I 的值 1 2 三边测距定位算法原理 假设 3个参考点的坐标分别为 Y A y A Y 盲节点 的坐标为 Y 该节点到各 个信标节点的测量距离分别是 d d d 根据二维空 间距离计算公式 可以获得一个非线性方程组 r y Y i 一 吩 y y 4 一 y y d 采用线性化方法来求解 可 以得到盲节点的坐标 为 2 t t 2 y Y k 1 L y J L 2 一 2 y 一Y k j 一 一 2 一 d 1 5 L 一 2 一 2 d 一 J 一 由式 5 可以看出影 响盲节点 的定位精度取决于 该节点到各个信标节点的测量距离 实际上 由于 测量 d d d 时存在各种误差 上述三边定位算法只 能确定盲节点在一个三角区域 然后用该区域的质心 作为盲节点的坐标位置 1 3 R S S I 三边测距校正模型分析 由于网络中的信标节点能够测量 R S S I 值来确定 和其他信标节点的距离 将所测得的距离和实际距离 比较可以获得信标节点 R S S I 值测量误差 同理 可 以 用已知坐标位置的信标节点充当盲节点 用上述 的三 边测距定位算法测 出其坐标 然后和实 际坐标 比较可 以获得坐标误差 在对盲节点的定位时 综合考虑 以 上两个误差 可以减小网络 中各种不利 因素对定位结 果的干扰 R S S I 测距校正模 型就是基于 以上原理设 计的 如图1 所示 信标节点为 A 0 Y o A Y A z Y Y 盲节点 M Y 信标节点 基于 R S S I 测距的信标节点 自校 正定位算法 9 5 A Y 是待校正节点 节 点 A Y 到节点 A Y Y 2 A Y 的实际距离为 d d d 节点 A Y o 通过 R S S I 测量的距离为 d d c 2 d A I l y 1 2 2 y 2 A y i 图 1 信标节点自校正定位算法示意图 定义 1 信标节点 R S S I 测距 自适应加权校正系数 i 竹 6 l 其中 竹 士 士 7 竹 L 2 1 2e d 一 1 是 自适应加权因子 表示不 同的 R S S I 测量值所 占的权 重 由文献 9 可知 随着距离的增加 由 R S S I 值 的偏 差产生的距离误差越大 对节点校正系数 的决定权就 越小 自适应加权因子能抑制距离增大时由 R S S I 值 的偏差产生的误差对 自适应加权校正系数的影响 e j d f 一 d f 表示待校正信标节点之间的实际距 离 表示待校正信标节点之间测量距离 表示用于 校正的信标节点个数 定位网络中的所有信标节点都 可以通过其他信标节点的信息来对自身 R S S I 值测量 进行校正 能够反 映信标 节点测 量 R S S I 值 的准确 度 定义 2 节点和信标节点之间的校正距离 d d 1 8 式中 d 是盲节点和信标节点之间的测量距离 是信 标节点 R S S I 值测量 自适应加权校正系数 由以上分析可知 自适应加权校正系数 能反 映 信标节点测量 R S S I 值时的误差 从而提高节点之间距 离测量的准确度 但是还不能校正三边定位过程 中由 于随机性障碍物等许多不利因素造成的误差 所以必 须利用信标节点的信息 对网络作进一步校正 校正 方法是用信标节点充当盲节点 用 R S S I 测距三边定位 原理计算出自身坐标 将计算坐标值和实际坐标值比 较 可以得到该信标节点的坐标误差 在计算过程中 节点之间的距离必须由公式 8 计算得出 如图 1 所 示 信标节点A Y o 可以通过信标节A Y A Y A i Y 的信息来计算 自身的位置 然后 和实际位置比较 即可得 出信标节点 Y o 所在 的区域的定位误差 同理 网络中的其他信标节点 也 可以计算 自身所在 区域 的网络定位误差 定义 3 信标节点的坐标误差 x x j 式中 x j 为第 个信标节点 坐标 的实际值 为第 个信标节点 坐标的计算值 y 为第 个信标节点 l 坐标的实际值 y 为第 个信标节点 坐标的计算值 信标节点的坐标误差表示该信标节点所在的定位区域 网络的定位误差 从上面的定义 中可以看 出 对于二维定位系统 中 只有网络中的信标节点个数不小于4 个时信标节点坐 标误差才有意义 该算法可以扩展到三维空间 对于三 维空间 信标节点的数量最少为 5个 如果网络中的 任意一个信标节点都在其他信标节点的 R S S I 值有效 测量范围内 则网络中的任何一个信标节点都可以通 过上述方法获得 自身的坐标误差 所以共有 i 1 个坐 标误差 定义 4 网络的定位误差 一 1 m 刍 m e 式中 m i 1 为第 个节点的 坐标误差 为第 个节点 的 y坐标误差 网络定 位误差是信标节点坐 标误差 的平均值 反映了定位 网络的定位能力 所 以 盲节点的最终坐标为 X e I e z 1 1 式中 为盲节点用 三边 定位算法计算 的定位 坐 标 y 为盲节点用三边定位算法计算的定位 y 坐标 从上述的算法可以看出 节点之间的距离是由信 标节点测量得出的 这是关键性的 因为 代表的是信 标节点的测量误差系数 只有信标节点测量得出的距 离才可以用 肛进行修正 2 算法实现过程 本算法的实现过程可以分为自 校正过程和定位过 程 校正过程主要获得信标节点 R S S I 测距自适应加权 校正系数和网络的定位误差 定位过程主要获得盲节 点的定位坐标 考虑到定位系统应用的实际情况 过 于频繁校正 并不能明显提高定位精度 反而会给网络 带来负担 所以算法的实现过程要充分考虑网络的能 力 1 自校正过程 9 6 测控技术 2 0 0 9 年第2 8 卷第8 期 网络基站在信标节点上建立所有信标节点的 I D和位置关系数据库 并为待校正信标节点分配一个 校正令牌 获得校正令牌 的信标 节点 以广播的形势向其 他信标节点发出校正申请 其他信标节点收到广播信 息后 将自身的I D信息发给待校正信标节点 校正信标节点收到其他信标节点的 I D信息的 同时 记录下 R S S I 值 并多次测量 剔出明显不符合要 求的 R S S I 值 并将 R S S I 换算成距离 和实际距离相减 得出测量误差 将所测得距离和误差分别存人距离数 组 D d d d d 和误差数组 E e l e e e 数据采集完毕后 将 校正令牌移交给下一个 信标节点 然后根据公式 6 计算 出 自身的 R S S I 值测量 校正系数 根据公式 8 计算出信标节点之间的距 离 然后用三边定位远离计算出 自身的坐标 并和实际 坐标值比较 获取信标节点坐标误差 e e 重复过程 直至所有信标节点都获得校 正为止 然后将校正令牌交还网络基站 2 定位过程 盲节点广播 自身 I D信息 广播之后 立即进入 接收状态 如果没有接收到信标节点的信息 则再次广 播 直到收到足够的信标节点信息为止 信标节点不断侦听网络中盲节点的无线信息 接收到信号的同时 记录其 R S S I 值并换算成距离 用 公式 8 校正后 然后将其和信标节点定位误差 e e 同时发给盲节点 盲节点收到周围信标节点上述信息后 用公式 1 0 计算出网络的定位误差 用公式 5 计算出自身 的坐标值 Y 用公式 1 1 计算盲节点最终位置 Y 在 中 盲节点在接收信息 的同时也可以测 出和 信标节点之间的大致距离 在实际计算过程中 可以用 其修正信标节点提供 的距离 3 实验分析 采用基于 C C 2 4 3 2 4 3 0 无线定位的硬件平台对文 中的算法进行 了实验 用 C C 2 4 3 0芯片设计了 7个信 标节点和一个简单基站 用 C C 2 4 3 1设计 了 1个盲节 点 信标节点和盲节点的实际通信距离都是 4 5 IT I C C 2 4 3 1 芯片是在 C C 2 4 3 0的基 础上增 加了定位引擎 功能 能够根据信标节点的坐标和 R S S I 值确定 自己的 坐标 基站负责收集网络数据 并将数据实时通过串 口发送给计算机 实验分成以下两部分 1 对 R S S I 测距 自适应加权校正效果的验证 实验选择一个圆形区域 3 个待校正节点放置在 圆心附近 分别采用不同的测距算法 不校正测量 的距离 校正时采用平均法 也即式 6 中的 1 i 采用加权 自适应算法校正测量距离 其余 5 个节点作为信标节点均匀分布在圆形区域 内 但和圆心的距离不等 节点校正后 同时测量某一 特定信标节点的距离 然后逐渐增大实验 区域半径 重复校正和测距过程 获得 3种测距算法的效果如图 2 所示 可见加权自适应测距的效果明显优于其余两 种 图 2 R S S I 测距校 正效果 2 综合定位效果验证 实验区域设置为半径为 2 0 m的圆形 圆心处放置 一 个信标节点 其余信标节点均匀分布在圆形区域的 边界上 盲节点分别放在 1 0个不同的位置 分别采用 信标节点自校正算法和盲节点 自带的定位引擎定位 1 O次 网络启动后 自动校正一次 此后每实时定位 5 次 网络 自动校正一次 所以本次实验有 1 0次定位 2 次校正过程 R S S I 值 的处理和校正过程 由信标节点 完成 坐标位置的计算和校正由盲节点完成 表 1 表 示盲节点定位信息统计结果 从结果可以看出 经过校 正后定位精度明显提高 从误差方差的统计结果可 以 看出 自校正算法比定位引擎更稳定 基 于 R S S I 测距的信标节点 自校正定位算法 9 7 表 1 自校正算 法和定位 引擎 的比较 4 结束语 本研究在对 R S S I 测距模 型和基于 R S S I 测距三边 定位模型分析的基础上 综合利用信标节点信息 提出 了一种信标节点 自校正定位算法 在算法 的各级处理 当中引入 了加权平均法 有效减小了因 R S S I 值与盲节 点到信标节点的距离之间的关系随环境变化而改变造 成的误差 该算法主要运用在 网络误差的校正阶段 可 以和其他 定位算法分开或综合使用 实验结果 表 明 校正后的网络定位精度和稳定性都有明显提高 参考文献 1 A r a m p a t z i s T L y g e r o s J M a n e s i s S A s u r v e y o f a p p l i c a t i o n s o f w i r e l e s s s e n s o r s a n d w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s A P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 5 I E EE I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Me d i t e r r e a n C o n f e r e n c e o n C o n t r o l a n d A u t o m a t i o n C H ma s s o l Cy p r u s 2 0 05 71 9 7 2 4 2 A b o e l a z e M A l o u l F C u r r e n t a n d f u t u r e t r e n d s i n s e n s o r n e t w o r k s a s u r v e y A P r o c e e d i n g s o f S e c o n d I F I P I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n W i r e l e s s a n d Op t i c al C o mmu n i c a t i o n s N e t w o r k s C Mi s s o u ri U S A 2 0 0 5 5 5 1 5 5 5 3 V i e i r a M C o e l h o C S i l v a D e t a 1 S u rve y o n w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k d e v i c e s A 1 P r o c e e d i n g s o f I E E E C o nfe r e n c e o n E me r g i n g T e c h n o l o g i e s a n d F a c t o r y A u t o m a t i o n C B e l o Ho r i z o n t e Br a z i l 2 0 0 3 5 3 7 5 4 4 4 A 1 一 K a r a k i J N K a m al A R o u t i n g t e c h n i q u e s i n w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s a s u r v e y J I E E E Wi r e l e s s C o mm u n i c a t i o n s 2 0 0 4 1 1 6 6 2 8 5 王福豹 史龙 任丰原 无线传感器网络中的自身定位系 统和算法 J 软件学报 2 0 0 5 1 6 5 1 1 4 8 1 1 5 7 6 F o x V H i g h t o w e r J L i a o L e t a1 B a y e s i a n fi l t e ri n g f o r l o c a t i o n e s t i m a t i o n J P e r v a s i v e C o mp u t i n g 2 0 0 3 2 3 2 4 3 3 7 H e T H u a n g C D B l u m B M e t a 1 R a n g e f r e e l o c al i z a t i o n s c h e me s fo r l a r g e s c al e s e n s o r n e tw o r k s A P r o c e e d i n g s o f t h e 9 An n u al I n t e r n a t i o n al C o nfe ren c e o n Mo b i l e C o mp u t i n g a n d N e t w o r k i n g C S an D i e g o A C M P r e s s 2 0 0 3 8 1 9 5 8 N i c u l e s c u D N a t h B A d h o c p o s i t i o n i n g s y s t e m A P S U s i n g A O A A P r o c e e d i n g s o f T w e n t y S e c o n d A n n u al J o v n t C o nfe r e n c e o f t h e I E EE C o mp u t e r an d C o mmu n i c a t i o n s S o c i e t i e s C N e w Y o r k 2 0 0 3 1 7 3 4 1 7 4 3 9 L i D Wo n g K D Hu Y H e t a 1 D e t e c t i o n c l a s s i fi c a t i o n a n d t r a c k i n g o f t arg e t s J I E E E S i g n al P r o c e s s i n g Ma g azi n e 2 0 0 2 1 9 2 1 7 2 9 1 0 陈维克 李文锋 首珩 等 基于 R S S I的无线传感器网络 加权质心定位算法 J 武汉理工大学学报 交通科学 与工程版 2 0 0 6 3 0 2 2 6 5 2