局部無(wú)線定位系統(tǒng)中的高精度定位算法研究*

魏 斌，羅，虞致國(guó)，黃召軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

局部無(wú)線定位系統(tǒng)中的高精度定位算法研究*

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

局部無(wú)線定位技術(shù)是基于局部組網(wǎng)的低成本和低復(fù)雜度的定位技術(shù)。在局部無(wú)線定位中，無(wú)論采用哪種技術(shù)，都會(huì)受到非視距和多徑傳輸?shù)挠绊?，給定位帶來(lái)較大的誤差。環(huán)境建模可以通過(guò)曲線擬合的方式來(lái)建立某些典型場(chǎng)景的信號(hào)傳輸模型。除此之外，在前期環(huán)境建模完善的條件下，進(jìn)一步提高精度只能依靠監(jiān)控端軟件中幾何定位算法的改進(jìn)。文章提出了一種定位算法，該算法針對(duì)各種導(dǎo)致定位誤差的因素進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)證明，采用這種算法的系統(tǒng)具有相當(dāng)高的定位精度。

信號(hào)強(qiáng)度接收指示；連接質(zhì)量指示；局部無(wú)線定位技術(shù)

1 引言

自從IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世以來(lái)，局部定位的服務(wù)也有了廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。通常采用的方法是在室內(nèi)或者室外的小范圍區(qū)域內(nèi)建立定位網(wǎng)絡(luò)。其中，定位的方式主要是基于信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）、連接質(zhì)量（LQI）、到達(dá)時(shí)間（TOA）等。其中基于RSSI以及LQI的定位方式開(kāi)銷較少、實(shí)現(xiàn)難度較低，成為了近年來(lái)局部定位研究的熱點(diǎn)。研究的方向主要分為場(chǎng)景傳輸模型優(yōu)化以及定位算法的優(yōu)化兩部分。

本文對(duì)局部無(wú)線定位系統(tǒng)中的算法進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且提出了一種全面的算法優(yōu)化方法。試驗(yàn)表明，優(yōu)化過(guò)的算法具有良好的完備性，并且可以使系統(tǒng)的定位精度得到明顯提高。

2 基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距的原理

測(cè)距是定位的基本要求。只有獲取3個(gè)或者以上參考節(jié)點(diǎn)的距離，才能夠確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距可以分為RSSI以及LQI的方式。

利用RSSI測(cè)距，可以選用以下模型[1,2]：

而LQI與RSSI的對(duì)應(yīng)公式如下：

其中，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的發(fā)射節(jié)點(diǎn)1m處的接受信號(hào)強(qiáng)度；n為信號(hào)傳輸常數(shù)，與信號(hào)的傳輸環(huán)境有關(guān)；d為發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離。

RSSI以及LQI對(duì)應(yīng)距離曲線，可以通過(guò)場(chǎng)景建模的方式針對(duì)具有明確的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)獲得，分析該場(chǎng)景的多徑效應(yīng)，從而對(duì)射頻參數(shù)A和信號(hào)傳輸常數(shù)n進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于算法的優(yōu)化，是在不明確收到信號(hào)誤差的情況下，最大程度地加以糾正。

3 三邊測(cè)量定位算法的改進(jìn)

3.1 三邊測(cè)量定位算法基本原理

三邊測(cè)量定位法的基本原理就是求三個(gè)已知半徑和坐標(biāo)圓心的圓的交點(diǎn)[3,4]，如圖1所示。

圖1 三邊定位原理圖

已知三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離節(jié)點(diǎn)（x，y）的距離分別為r1、r2、r3, 則可以建立如下方程：

由上式可以得出D點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.2 算法的改進(jìn)

但是在實(shí)際的測(cè)試中，由于測(cè)距誤差，三個(gè)圓往往無(wú)法交于一點(diǎn)，假設(shè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只在參考節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，則可能產(chǎn)生的情況如圖2所示。

圖2 三邊定位測(cè)算中可能發(fā)生的四種情況

實(shí)際操作中，首先要判斷，3個(gè)圓之中有幾個(gè)相交，采用的方法可以是把3個(gè)圓的方程兩兩聯(lián)立，判斷有沒(méi)有解。

如果方程（4）有解（x12，y12）、（x21，y21），判斷其中哪個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)（x3，y3）的距離近，選取該點(diǎn)作為點(diǎn)D；如果方程（5）有解（x13，y13）、（x31，y31），判斷其中哪個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)（x2，y2）的距離近，選取該點(diǎn)作為點(diǎn)F；如果方程（6）有解（x23，y23）、（x32，y32），則判斷其中哪個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)（x1，y1）的距離近，選取該點(diǎn)作為點(diǎn)E，三角形DEF的重心就是我們所需要定位的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。 如果其中方程（4）無(wú)解，則連接兩圓圓心，和圓相交兩點(diǎn)的中心就是點(diǎn)D；對(duì)于方程（5）、（6）無(wú)解的情況下，可采用相同方式來(lái)得到點(diǎn)E、F的坐標(biāo)。因此，無(wú)論圓相交與否，我們都可以獲得3個(gè)點(diǎn)D、E、F，并且通過(guò)求重心來(lái)獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)的工作流程是指從通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸流程到計(jì)算機(jī)接收到信號(hào)強(qiáng)度的相關(guān)信息之后進(jìn)行測(cè)算的流程。系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸流程如圖3所示[5]。

圖3 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在網(wǎng)絡(luò)的通信過(guò)程中，首先定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)把接收到的一定時(shí)間內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度取平均值，然后發(fā)回到定位節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)再把收到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后傳輸?shù)絇C機(jī)。

PC機(jī)的測(cè)算流程如圖4，首先，需要設(shè)置所有參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后選取對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的距離曲線。

圖4 定位系統(tǒng)測(cè)算流程

在本文設(shè)計(jì)的算法中，選取4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來(lái)定位，這樣是選取定位精度和計(jì)算復(fù)雜程度的折中。這是考慮了如果選取N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來(lái)定位，需要進(jìn)行的三邊測(cè)量算法次數(shù)是，選取5個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下就需要做10次三邊測(cè)量，獲得10個(gè)可能的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，再需要計(jì)算這10個(gè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心位置，計(jì)算強(qiáng)度上增加很多，但在實(shí)際的定位精度上，只是增加了一個(gè)節(jié)點(diǎn)，定位精度提升的性價(jià)比不高。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)距離的曲線擬合結(jié)果

RSSI以及LQI在不同環(huán)境下對(duì)應(yīng)的距離曲線都是不同的，因此擬合針對(duì)不同環(huán)境的距離曲線是定位系統(tǒng)中的一個(gè)重要步驟。本文中采用LQI為例針對(duì)室內(nèi)、走廊以及野外空曠地帶做了曲線擬合。圖5顯示的是在一個(gè)大房間內(nèi)做的LQI對(duì)應(yīng)距離的曲線擬合。首先，每隔0.2m測(cè)量下接收到的LQI值并且記錄下來(lái)；然后，利用MATLAB擬合曲線，圖5中的曲線采用四次方程的方式實(shí)現(xiàn)，在距離的表示上已經(jīng)具備很高的精度。

圖5 信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的距離曲線

不同的場(chǎng)景對(duì)應(yīng)不同的曲線，對(duì)應(yīng)的函數(shù)存放在定位軟件中，在系統(tǒng)工作時(shí)需要選取場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的距離曲線。

4.2 定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在以上房間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分別擺放在（0，0）、（0，5）、（5，0）、（5，5）位置。MATLAB從串口讀入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行計(jì)算，輸出4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的LQI值，并且以圖形的形式顯示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。圖6中顯示的結(jié)果中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是（1.9，1.9），實(shí)際擺放位置是（2.1, 2.1）。圖7中，4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別改為（0，0）、（0，10）、（10，0）、（10，10），輸出的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是（5.2，8.2），實(shí)際擺放的位置是（5.5，7.8）。實(shí)驗(yàn)證明，采用本文中的方法測(cè)得的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置誤差相當(dāng)小。

圖6 定位測(cè)試結(jié)果1

圖7 定位測(cè)試結(jié)果2

6 總結(jié)

本文對(duì)基于信號(hào)強(qiáng)度的局部無(wú)線定位技術(shù)進(jìn)行了全面的分析。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、距離曲線擬合以及完備的三邊測(cè)算算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了局部的無(wú)線定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法的定位系統(tǒng)具有相當(dāng)高的定位精度。

[1] A wad A, Frunzke T, Dressler F. Adaptive distance estimation and localization in WSN using RSSI measures[C]. IEEE 10thEuromicro Conference on Digital System Design Architectures Methods and Tools,2007∶471-478.

[2] Ali S, Nobles P. A novel indoor location sensing mechanism for IEEE 802.11 b/g wireless LAN [C]. IEEE The Fourth Workshop on Positioning, Navigation and Communication,2007∶ 9-15.

[3] 楊鳳，史浩山，朱靈波，等. 一種基于測(cè)距的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能定位算法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21（1）：135-140.

[4] 朱劍，趙海，孫佩剛，等. 基于RSSI 均值的等邊三角形定位算法[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，28（8）：1 094- 1 097.

[5] 朱俊.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：南京理工大學(xué), 2006.

Research on High-precision Algorithm for Localized Wireless Positioning System

WEI Bin, LUO Yang, YU Zhi-guo, HUANG Zhao-jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.58th Institute,Wuxi214035,China）

Localized wireless positioning technique is based on the low-cost and low complexity local network. It can be achieved by applying on of the following techniques∶

Signal Strength Indication （RSSI）, Link Quality Indication （LQI） or Time Of Arrival （TOA）. However, no matter which technique is applied, the system performance will be affected by non line of sight and multiplepath transmission, which brings deviation in positioning. The establishment of environment model can be achieved by fi tting values to a curve. Beside this, the improvement of accuracy can be only achieved by optimizing the geometrical algorithm in monitoring software. In this paper, an optimized geometrical algorithm is suggested, and the result show that positioning system with this algorithm has very high accuracy.

RSSI; LQI; localized wireless positioning technique

TP393

A

1681-1070（2011）08-0025-04

2011-06-16

國(guó)家“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”科技重大專項(xiàng)（2010ZX03006-002-04）資助

魏 斌（1980—），男，江蘇無(wú)錫人，英國(guó)愛(ài)丁堡龍比亞大學(xué)電子與通信專業(yè)博士學(xué)位，曾參與英國(guó)多所高校聯(lián)合進(jìn)行的4G技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，目前在中國(guó)電科58所傳感網(wǎng)工程中心任職，主要負(fù)責(zé)無(wú)線通信的技術(shù)研發(fā)工作。