基于RSSI和LQI的分段距離估計改進算法

臧建魁，卿粼波，何小海，廖亞風

(四川大學 電子信息學院圖像信息研究所，四川 成都 610064)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展，人們對定位的要求日益強烈，尤其是在復雜的室內(nèi)環(huán)境，如倉庫、礦井、地下室等環(huán)境。通過現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)無法滿足需求，基于 IEEE 802.15.4的 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，Wireless Sensor Network）定位技術(shù)可有效地彌補全球定位系統(tǒng)難以應用于室內(nèi)環(huán)境的弊端。節(jié)點的定位算法是WSN的重要技術(shù)之一，根據(jù)定位過程中是否測量實際節(jié)點間的物理關(guān)系，可以把定位算法分為：基于距離和距離無關(guān)定位算法兩大類[1]。基于距離的定位算法由于計算簡單對節(jié)點硬件要求低，所以被廣泛使用，其中最為常用的是基于接收信號強度指示（RSSI，Received Signal Strength Indicator, RSSI）的定位。理論上通過3個參考節(jié)點的RSSI信息就可用三邊測量法計算出一個未知節(jié)點的位置[2]。

這里在充分研究現(xiàn)有 RSSI距離估計算法的基礎(chǔ)上,加入了鏈路質(zhì)量（LQI，Link Quality Indication），并利用現(xiàn)有的ZigBee硬件平臺，通過對無線電傳播路徑損耗模型的分析,提出了一種硬件要求低、資源開銷小、適合傳感器節(jié)點處理的RSSI和LQI的分段距離估計改進算法, 提高了基于RSSI的三邊定位算法所需的距離估計精度。

1 基于RSSI距離估計算法原理及缺陷

1.1 RSSI距離估計算法原理[3]

RSSI是收發(fā)信號者之間的信號傳播損耗和距離的函數(shù)，接收信號隨著距離的增加而減小。RSSI與距離d的理論關(guān)系式可用式（1）表示：

其中 n為信號傳播因子，數(shù)值大小取決于無線信號傳播的環(huán)境，A為信號傳輸1米時的接收信號功率。

在已知的環(huán)境下信號傳播因子n是確定的常數(shù)，可根據(jù)已知環(huán)境中測量的RSSI與d通過式（1）計算得到。為了避免單次計算帶來的誤差，可計算不同距離的n值并取其平均值。計算出傳播常量n和實測A后，便可建立起現(xiàn)場環(huán)境的信號傳播衰減模型，對于未知定位節(jié)點只需測得其到已知的信號發(fā)送節(jié)點之間的RSSI就可計算出兩者之間的距離。

1.2 RSSI距離估計算法的缺陷

RSSI距離估計算法計算簡單，僅根據(jù)無線信道傳播模型就可以計算距離,再通過一定的算法可使定位達到相當?shù)木?。但由于使用中受到實際環(huán)境的影響, 在距離不變的情況下收集到的信號衰減是起伏變化的。根據(jù)式（1）可以看到信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關(guān)系，接收信號的較小變化可帶來距離的較大誤差，因此單一通過RSSI計算出的距離與實際距離是存在較大誤差的。

2 基于RSSI和LQI的分段距離估計算法

2.1 RSSI 和LQI的關(guān)系

RSSI為信號強度指示，是真實的接收信號強度與最優(yōu)接收功率等級間的差值。LQI是鏈路質(zhì)量的指示，表征接收數(shù)據(jù)幀的能量與質(zhì)量，其大小決定于基于信號強度以及檢測到的信噪比，由ZigBee協(xié)議的媒體訪問控制層計算得到并提供給上一層，一般與正確接收到的數(shù)據(jù)幀的概率有關(guān)[4]。

在ZigBee協(xié)議棧中RSSI值和LQI值在收發(fā)模塊每接收一個數(shù)據(jù)幀時都可以得到，LQI與RSSI的關(guān)系可用式(2)[5]表示：

LQI的動態(tài)范圍為0～255，其范圍比RSSI的大，使得它有更高的分辨率。所以把通過 LQI 值計算的 RSSI（記作 RSSIL）融入距離估計算法將比只通過RSSI（記作RSSID） 距離估計算法在精度上有進一步的提升。

2.2 RSSI 和LQI的分段距離估計算法

對于給定的環(huán)境空間，測得室內(nèi)走廊和室外操場2種實際環(huán)境的RSSID和LQI的衰落曲線如圖1和圖2所示。

圖1 RSSI實測衰落曲線

從圖1中可以觀察到，RSSID在10米以內(nèi)衰減曲線起伏較大，當距離加大時衰減曲線就比較平穩(wěn)，而圖2中的LQI的衰減曲線正好相反，在10米以內(nèi)波動范圍較小，當距離加大時振蕩也加大了，因此在計算中以10米為分界，對于小于10米的距離采用式（2）計算出的RSSIL，對于大于10米的距離采用直接測得的RSSID，這樣分段復合后就能夠得到更精準的RSSI，從而計算出更準確的距離。經(jīng)過分段復合的衰落曲線如圖3所示。

圖2 LQI實測衰落曲線

圖3 分段復合RSSI衰落曲線

從圖3可以看出，分段復合RSSI衰落曲線比圖1、圖2中每種環(huán)境的單獨衰落曲線變的更加平緩。

該算法的關(guān)鍵步驟如下：

①采集現(xiàn)場環(huán)境中距離已知節(jié)點距離為1的精確RSSI值，得到無線信道模型中的A值。

②采集現(xiàn)場環(huán)境中距離已知節(jié)點距離為10米精確RSSI值，得到精準的RSSI10。

③采集現(xiàn)場環(huán)境中的距離與RSSI的準確對應關(guān)系，并計算出信號傳播因子n，建立無線信道模型。

④對未知節(jié)點采集多次RSSID和LQI并計算均值，將RSSID與精準的RSSI10值對比，當RSSID＜RSSI10時,直接通過無線信道模型使用RSSID估算距離，當RSSID＞RSSI10時，使用LQI計算的RSSIL估算距離。

3 數(shù)據(jù)分析

實驗使用 ZigBee開發(fā)套件分別在室內(nèi)走廊和室外操場2種實際環(huán)境中完成固定節(jié)點和未知節(jié)點的通訊及RSSI和LQI的采集。對10米以內(nèi)的距離每隔1米采集100次RSSID和LQI，對10米到40米的距離每隔10米采集100次RSSID和LQI。通過采集到的RSSID和LQI計算信道模型中的n及A，從而得到RSSI與距離的關(guān)系。再對隨機的7個點測量RSSID和LQI，根據(jù)不同的算法計算距離并與實際距離對比。

表1、表2中對比了通過RSSI、LQI和分段RSSI 3種算法的精度。

表1 隨機距離誤差分析

表1 平均誤差分析

從表1可以看到，在室內(nèi)走廊環(huán)境中，單獨通過RSSID計算出的距離相對平均誤差達到了14.4%，引進LQI的分段復合距離估計算法計算的距離相對誤差為10.8%；在室外操場環(huán)境中，單獨通過RSSID計算出的距離相對平均誤差達到了11.4%，而引進LQI后的分段復合距離估計算法計算的距離相對誤差為9.2%，室內(nèi)和室外環(huán)境計算出的距離與實際距離的相對誤差分別提高了3.8%和2.2%。同時可以看出，采用新算法后的室內(nèi)和室外距離的相對誤差波動范圍得到減小，環(huán)境干擾的影響得到降低。

4 結(jié)語

結(jié)合目前RSSI定位存在的問題，對RSSI距離估計算法進行了改進。在原算法的基礎(chǔ)上引入了LQI計算的RSSI進行分段距離估計，使得計算出的距離更準確。實驗數(shù)據(jù)表明，基于RSSI和LQI的分段復合距離估計算法與原算法相比，計算的距離更精準，相對誤差波動范圍更小，可降低環(huán)境對距離計算的干擾。

[1] 陳昌祥，達維，周潔.基于 RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡距離修正定位算法[J].通信技術(shù)，2011,44(02）:65-66.

[2] 安葳鵬，沈志廣, 潘亞鋒.基于RSSI的高精度實時室內(nèi)人員跟蹤定位的改進[J].傳感器與微系統(tǒng) ,2010,29(06):89-91.

[3] 馮成旭，劉忠，程遠國.一種基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡的改進定位算法[J].船舶電子工程，2010(10):69-71.

[4] 黃天祥，王敬東, 李鵬.基于LQI和RSSI改進的DV 2Hop定位算法[J].計算機與現(xiàn)代化 ,2009(01):76-80

[5] Texas Instruments. CC2430 Datasheet [EB/OL].(2007-06-06)[2011-03-05]. http://www.ti.com.