基于RSSI的優(yōu)化加權質(zhì)心定位算法研究

張正華， 戴 磊 ， 黎家文， 陳 航

（1.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學 實驗室與設備管理處，江蘇 揚州 225009）

基于RSSI的優(yōu)化加權質(zhì)心定位算法研究

張正華1， 戴 磊1， 黎家文1， 陳 航2

（1.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學 實驗室與設備管理處，江蘇 揚州 225009）

節(jié)點定位技術是無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一。質(zhì)心定位算法是指節(jié)點依靠無線傳感器網(wǎng)絡的連通性進行定位，定位誤差較大。為了提高定位精度，鑒于質(zhì)心定位算法受環(huán)境影響較小，基于RSSI的定位技術使用方便的特點，文中提出了基于RSSI的一種優(yōu)化加權質(zhì)心定位算法。通過RSSI測距，結(jié)合優(yōu)化后的加權質(zhì)心定位算法，確定節(jié)點位置。仿真結(jié)果表明，該算法降低了定位的平均誤差，可以提高定位精度。

RSSI；加權質(zhì)心；定位；無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）中，節(jié)點定位是一項關鍵技術，獲得節(jié)點的位置信息是無線傳感器網(wǎng)絡的基本要求。定位業(yè)務受到廣泛關注，對于軍用、民用、礦井以及火災救援的WSN來說，估計用戶的準確位置則顯得至關重要[1]。至今，無線傳感器網(wǎng)絡定位已經(jīng)成了一個很重要的研究方向。無線傳感器網(wǎng)絡根據(jù)節(jié)點定位機制可分為基于距離（Range-Based）和距離無關（Range-Free）的兩類定位算法[2]，基于距離的定位算法通過測量節(jié)點間點到點的距離或角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法等計算節(jié)點位置[3]，主要有 RSSI、TOA、TDOA、AOA 等。距離無關的定位算法是依靠網(wǎng)絡的連通性等信息進行定位，不需要計算節(jié)點間距離或角度信息，主要有質(zhì)心算法、DV－h(huán)op算法、凸規(guī)劃、Amorphous算法、APIT等[4]?；跍y距的定位算法與無需測距的定位算法相比雖然有著成本較高、能耗較高、計算量和通信量較大的不足，但是前者的定位精度一般都要比后者高?？梢韵嘈牛S著技術進步，更精確、能耗更小的測距技術的出現(xiàn)，以及對定位精度的更高要求，基于測距的定位算法將在節(jié)點定位技術中獲得更好的發(fā)展空間[5]。

1 RSSI測距模型

P（d）為基站接收到盲節(jié)點在距離基站d處發(fā)送信號強度；P（d0）是基站接收到錨節(jié)點在距離基站處發(fā)送信號強度；d0為近地參考距離，一般為1 m；n為路徑損耗指數(shù)，依賴周圍環(huán)境，范圍在2～4之間；Xσ是標準差為σ的零均值的高斯

信號在傳播過程中會衰減，這種損耗與信號的傳播路徑有關。RSSI測距，就是利用此相關性測出接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點間的距離。RSSI測距使用的無線信號模型包括理論模型和經(jīng)驗模型。

經(jīng)驗模型的一些參數(shù)取值可以根據(jù)經(jīng)驗選取，模型比較簡單，精度不是很高，易用于大致估計。

理論模型主要有自由空間傳播模型、對數(shù)－路徑損耗模型、兩徑傳播模型、對數(shù)－常態(tài)分布模型等。無線信號傳播路徑損耗對RSSI測量精度有很大影響，實際應用環(huán)境中，由于多徑、繞射、障礙物等因素，使得無線信號傳播模型十分復雜[6]。通常采用對數(shù)－常態(tài)分布模型，即：分布隨機變量。信標節(jié)點測得的RSSI值越大，距離越近，對節(jié)點定位具有更大的決定權。

2 優(yōu)化的加權質(zhì)心算法

質(zhì)心算法是通過未知節(jié)點接收所有在其通信范圍內(nèi)的信標節(jié)點的信息，并將這些信標節(jié)點的幾何質(zhì)心作為自己的估計位置來定位。由于質(zhì)心算法并沒有反應信標節(jié)點對待測節(jié)點的影響大小，所以在原有質(zhì)心算法的基礎上，提出了加權質(zhì)心算法。加權質(zhì)心算法，通過加權因子來反映參考節(jié)點對質(zhì)心坐標決定權的大小，利用加權因子體現(xiàn)各參考節(jié)點對質(zhì)心位置的影響程度，反映他們的內(nèi)在關系[7]。已知有3個信標節(jié)點 A、B、C，如圖 1所示。

圖1 加權質(zhì)心算法示意圖Fig.1 Weighted centroid localization algorithm diagram

坐標分別為（xa，ya），（xb，yb），（xc，yc），假設盲節(jié)點 D 坐標為（xd，yd），通過RSSI測距測得與盲節(jié)點之間的距離分別為da、db、dc，則盲節(jié)點的坐標為

3 實驗仿真與分析

使用Matlab對其進行仿真，檢驗經(jīng)過優(yōu)化后算法的性能。在65m×65m的區(qū)域內(nèi)，布置3個信標節(jié)點，坐標分別為（10，20 m），（35，50 m），（50，10 m）。 隨機選取的點也就是未知節(jié)點的位置。

使用加權質(zhì)心定位算法和優(yōu)化后的加權質(zhì)心定位算法對目標節(jié)點進行定位，分別運算10次，各自得到10個估計位置，如圖2所示。

圖2 不同加權因子的質(zhì)心定位算法仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of centroid localization algorithm with different weighted factors

將上述各自得到的 10 個估計位置（xn，yn）（n=1，2，…，10）分別與目標節(jié)點（x0，y0）=（31，27 m）進行比較，根據(jù)式（6）得到誤差e。

圖3 誤差對比分析圖Fig.3 Errors analysis diagram

4 結(jié) 論

綜上所述，文中主要對基于RSSI的定位技術[8]進行了研究，在原有的加權質(zhì)心定位算法的基礎上，采用優(yōu)化加權因子的方法，對加權因子進行優(yōu)化，得出優(yōu)化后的加權質(zhì)心定位算法。該算法不需增加額外的設備，通過對性能仿真和分析結(jié)果表明，該優(yōu)化后的加權質(zhì)心算法在一定程度上提高了定位精度，具有一定的實用價值。

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Research on optimization weighted centroid localization algorithm based on RSSI

ZHANG Zheng-hua1， DAI Lei1， LI Jia-wen1， CHEN Hang2
（1.School of Information Engineering of Yangzhou University， Yangzhou 225127， China；2.Laboratory and Equipment Management Office of Yangzhou University， Yangzhou 225009， China）

The node localization is one of the key technologies in wireless sensor network.The centroid algorithm localization means that node self-localization relies on wireless sensor network connectivity，but error is large.In order to improve positioning precision，an optimization weighted centroid localization algorithm based on RSSI was presented in consideration of less affection by environment for centroid localization algorithm，and easy to use localization technology based on RSSI.Distance was got through RSSI，combined with optimization weighted centroid algorithm，node was located.Simulation results show that， the average error of positioning decreased， and localization precision was improved by this algorithm.

RSSI； weighted centroid； localization； wireless sensor network

TP 391

A

1674－6236（2013）07－0171－03

2012－11－25稿件編號201211214

揚州市－揚州大學科技合伙資金計劃項目（YZ2011149）

張正華（1965—），男，江蘇南通人，碩士，副教授。研究方向：視頻圖像處理機編解碼、實時信號處理等。