一种基于RSSI的无线传感网络节点定位方法

摘要

本发明公开了一种基于节点接收信号强度值（RSSI）的改进DV-hop定位算法，利用“距离—损耗”模型，建立一种新的跳数计算方法，同时设置最大跳数门限值来去除一些失真数据。改进的算法中接收节点计算出此次传递的跳数后，跳数加上后继续投递数据包，这样最小跳数同样可以获得，进一步逼近网络节点通信的实际路径，更为客观的反映节点分布的实际情况，来减小邻居节点间有着不同距离而都被视为一跳的距离所带来的累计误差，从而达到提高定位精度的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感技术和无线传感网络定位技术领域，具体涉及一种基于RSSI的无线传感网络节点定位方法。

背景技术

   无线传感网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络三个阶段。现代意义的无线传感网络技术，以其低成本、低功耗、分布式和自组织的特点在信息感知领域起到了重要的作用。由于网络的随机性部署与动态拓扑结构决定了传感器节点位置的未知性，然而传感器节点所采集的数据必须结合其自身的地理位置信息才有意义。应用于实际监测与控制场合，观测人员通过节点位置信息，可以选择最短路由来传递信息，从而节省了能量，又满足了低功耗的要求。另外，信息的无线传输是无线传感网络消耗能量的主要原因，根据节点的位置信息，选择特定区域的传感器节点来获取特定区域的信息，这样可以降低网络系统的功耗，延长整个网络系统的生命周期。这些都充分说明了定位在无线传感网络的重要性，最近十几年来，一系列的定位算法和定位系统应运而生。如质心（sentroid）定位算法、DV-hop算法、Amorphous定位算法、APIT算法、CBA（Concentric Anchor-Beacons）定位算法、Sequence-Based定位算法等等，但同样也面临着诸多问题，目前却很难找到一种适用于节点不均匀性分布的条件下，减少通信开销、降低功耗的同时获得较高定位精度的算法，而且目前的定位算法是应用在一种理想的节点分布结构区域的算法，这种算法需要额外的硬件设备支持。

其中DV-hop算法是由DragNiculescu等人提出的一种分布式定位算法。其基本思想：首先是网络中的各个节点收集到各信标节点的最小跳数，信标节点向邻居节点广播自身位置信息的数据包, 其中包括跳数信息, 且将该初值设为0。接收节点只记录到每个信标节点的最小跳数,忽略来自同一个信标节点的所有较大跳数的数据包, 然后将具有最小跳数的数据包跳数值加1后转发给邻居节点。然后信标节点根据最小跳数和到其它的信标节点的距离计算出网络平均每跳距离，再把网络平均每跳距离和最小跳数的乘积作为未知节点到参考节点之间的估计距离值，最后利用最小二乘法法获得未知节点的位置。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的实际部署中节点分布的不均匀性，无线传感网络节点定位方法精度不高以及传统算法对节点分布不均匀性的敏感性问题，结合现有DV-hop定位算法，提供一种基于RSSI的无线传感网络节点定位方法，该方法具有低功耗、低成本的优点，且在节点不均匀性分布的条件下仍能达到应用要求的高定位精度。

本发明采用的方案是基于节点接收信号强度值（RSSI），利用“距离—损耗”模型，建立一种新的跳数计算方法，设置最大跳数门限值来去除一些失真数据，从而得到改进的DV-hop定位算法。新的跳数计算机制进一步逼近网络节点通信的实际路径，更为客观的反映节点分布的实际情况，来减小邻居节点间有着不同距离而都被视为一跳的距离所带来的累计误差，从而达到提高定位精度的目的。

针对节点分布不均匀的网络，本发明算法通过连通性信息以及信号能量信息，构建能够反映两节点间距离大小的跳数计算方法，提高定位的精确度，避免传统算法对网络节点不均匀分布的敏感性问题。在计算上，对于网络中的每个接收节点的接收信号强度值（RSSI），根据新建立的跳数计算方法，均可计算出此对节点间信息传递的跳数。原算法中接收节点在跳数加1后继续投递数据包，而改进的算法中接收节点计算出此次传递的跳数                                                后，跳数加上后继续投递数据包，这样最小跳数同样可以获得，同时去除一些失真数据，而不改变DV-hop定位算法的其它定位过程。其定位方法具体包括以下步骤：

建立新的跳数计算方法，在信息的广播过程中，使网络中每个节点都得到到各个信标节点的最小跳数值。

去除部分失真的最小跳数值，避免其参入定位计算，然后通过平均每跳距离和最小跳数值来计算未知节点到每个信标节点的距离值。

根据未知节点到一些信标节点的距离值，采用最小二乘法来计算未知节点的坐标。一种基于RSSI的无线传感网络节点定位方法， 具体包括以下几步：

第一步，建立新的跳数计算方法，引入传播损耗模型，其中d为两相邻节点间的距离；是接收节点的RSSI；为初始参考距离；是以为参考距离的信号接收强度；为路径损耗系数；取决于周围环境的类型；是以0为均值，以为方差的正态分布随机变量；

第二步，在一节点随机分布网络中，假设距离为（其中为通信半径）的两相邻节点，发送节点以一恒定功率发送数据信号，接收节点接收到的信号强度为，那么对于相距为d的相邻节点，则通过第一步公式可得接收节点接收信号强度值， ；

第三步，为了建立跳数反映距离的大小机制，设定网络中两相邻节点间的跳数h与它们之间的距离d呈线性关系,如下式所示，其中k为比例常数，则可以得出 ；                         

第四步，定义相邻节点间距离为，那么它们之间的通信跳数则为1，则由第三步可求得比例系数k， ；                         

第五步，建立跳数与信号接收强度值的关系式，由上面第二、三、四步可以求得跳数值 ；   

第六步，设置一个合适的最大跳数门限值F，其中，S表示节点分布区域的面积，B代表信标节点的数目，r是通信半径，是网络连通性系数；

在未知节点求取到网络各个信标节点距离时，去除掉到信标节点最小跳数超过F的这部分数据值； 

第七步，通过平均每跳距离和最小跳数值来计算未知节点到每个信标节点的距离值，未知节点到信标节点的距离值为平均每跳距离与该对节点间最小跳数的乘积。

第八步，上述步骤计算出来的精确距离值，即未知节点到信标节点的距离，采用最小二乘法求出未知节点的位置坐标。

采用最小二乘法求出未知节点的位置坐标，至少采用三组未知节点到信标节点的距离值。

本发明的技术方案提供了一种基于RSSI无线传感网络定位方法，该算法对网络拓扑结构的变化更具有鲁棒性，并且能获得更高的定位精度，综合利用了网络的能量和连通性信息，应用在随机分布网络中定位具有较高的客观性和实用性。在满足传感器节点数目较多和定位地区少障碍物的条件下，实验结果表明该改进的算法显著地提高了定位精度，是节点随机分布网络中实现未知节点定位的一种更好的解决方法。本发明改善了传统定位方法在节点不均匀分布网络中定位精度的不足，进一步提高了定位精度。

附图说明

图1是本发明的信标节点直接通信小区域示意图。

图2是本发明的未知节点到各信标节点最小跳数示意图。

图3是本发明实施例与DV-hop的定位误差比较图。

图4是本发明实施例与IDV的定位误差比较图。

其中黑色三角形表示信标节点，黑色圆表示未知节点，黑色曲线代表通信路径；r为通信半径；改进的算法为基于RSSI的无线传感网络节点定位算法。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明的一个具体实施例作进一步的说明。如图1和图2所示，黑色三角形表示信标节点，黑色圆表示未知节点，黑色曲线代表通信路径；r为通信半径。

第一步，建立新的跳数计算方法，引入传播损耗模型，其中d为两相邻节点间的距离；是接收节点的RSSI；为初始参考距离；是以为参考距离的信号接收强度；为路径损耗系数；取决于周围环境的类型；是以0为均值，以为方差的正态分布随机变量；

第二步，在一节点随机分布网络中，假设距离为（其中为通信半径）的两相邻节点，发送节点以一恒定功率发送数据信号，接收节点接收到的信号强度为，那么对于相距为d的相邻节点，则通过第一步公式可得接收节点接收信号强度值， ；

第三步，为了建立跳数反映距离的大小机制，设定网络中两相邻节点间的跳数h与它们之间的距离d呈线性关系,如下式所示，其中k为比例常数，则可以得出 ；                         

第四步，定义相邻节点间距离为，那么它们之间的通信跳数则为1，则由第三步可求得比例系数k， ；                         

第五步，建立跳数与信号接收强度值的关系式，由上面第二、三、四步可以求得跳数值 ；   

第六步，设置一个合适的最大跳数门限值F，其中，S表示节点分布区域的面积，B代表信标节点的数目，r是通信半径，是网络连通性系数；

在未知节点求取到网络各个信标节点距离时，去除掉到信标节点最小跳数超过F的这部分数据值； 

第七步，通过平均每跳距离和最小跳数值来计算未知节点到每个信标节点的距离值，未知节点到信标节点的距离值为平均每跳距离与该对节点间最小跳数的乘积；第八步，上述步骤计算出来的精确距离值，即未知节点到信标节点的距离，采用最小二乘法求出未知节点的位置坐标。

采用最小二乘法求出未知节点的位置坐标，至少采用三组未知节点到信标节点的距离值。

对本发明方法实施模拟测试。模拟区域面积S为，节点通信半径为15m，其中信标节点节点数目为10，未知节点个数为25个，信标节点和未知节点随机分布。

对模拟的结果进行分析，图3是采用DV-hop定位算法和基于RSSI的无线传感网络节点定位算法对未知节点进行定位的误差比较图，反映了25个未知节点中有17个未知节点使用基于RSSI的无线传感网络节点定位算法，定位误差大大降低。

另外有8个节点经过DV-Hop定位算法和基于RSSI的无线传感网络节点定位算法后的位置坐标十分接近，定位精度提高幅度较小。对节点的分布以及模拟过程中节点间的信号传递路径进行分析，主要有两个原因：一是这些节点绝大部分位于节点分布区域的边缘地带，节点的分布不均匀，且节点数目较少，因此信标节点的连通度（邻居节点的个数）小；二是信号传递过程中存在信号访问竞争，在信标节点和未知节点间的通信路径不是具有最小跳数的路径，因此该未知节点采用基于RSSI的无线传感网络节点定位算法和DV-Hop定位算法都将有较大的误差。在本次模拟仿真中第15个未知节点与第6个信标节点可以通过一跳来完成通信，却经过了第25个未知节点，造成最小跳数错误，结果该未知节点的定位误差皆在71.2%r以上。

图4是基于RSSI的无线传感网络节点定位算法与IDV算法性能对比图，可以看出15个未知节点的定位误差相对于IDV算法有明显的降低，反映了基于RSSI的无线传感网络节点定位算法大大提高了定位精度，与一些相关的改进算法相比，具有更优越的定位性能。