李新玲，何加銘，2

(1.寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所，浙江寧波 315211;2.浙江省移動網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，浙江寧波 315211)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用［1］。

全球定位系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛最成熟的定位系統(tǒng)，具有定位精度高、實時性好以及抗干擾能力強等優(yōu)點，但是GPS定位并不適用于有遮擋物存在的環(huán)境［2］，節(jié)點能耗和體積較大，使用成本很高。在機器人領(lǐng)域中，機器人節(jié)點通常攜帶充足的能量供應(yīng)和精確的測距設(shè)備，系統(tǒng)中機器人節(jié)點的數(shù)量很少，所以這些機器人定位算法不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)［3］。

無線傳感器節(jié)點通常隨機放在不同的環(huán)境中執(zhí)行各種監(jiān)測任務(wù)，節(jié)點的定位不依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位，配置低、能量少、可靠性差，測量距離時會產(chǎn)生誤差［4］，因此定位算法必須具有較好的容錯性，盡量減少節(jié)點之間的通信開銷，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，并且每個節(jié)點分布式計算自身位置，而不是將所有信息傳送到某個節(jié)點進行集中計算。

本文提出的RSSI-HOP算法就是一種典型的與距離無關(guān)的定位算法，通過引用節(jié)點的RSSI強度來細化節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點之間跳數(shù)，從而相對提高節(jié)點定位精度。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法

現(xiàn)有的無線傳感器定位方法大致有2類:基于距離和距離無關(guān)定位［5］?；诰嚯x定位指通過節(jié)點間測量距離或測量角度的輔助來進行節(jié)點定位的方法;距離無關(guān)定位指無需節(jié)點間的測量距離或相對角度、只依賴節(jié)點間連通信息的定位方法［6］。基于測距的方法能夠為傳感器提供一個精確的位置，然而，其對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件要求也比較高，在一些應(yīng)用領(lǐng)域，由于傳感器節(jié)點上硬件成本和限制，通常不使用基于測距的方法［7］，然而如何在低成本硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)大范圍定位的同時盡可能減少測量誤差，提高定位精度是當(dāng)前定位技術(shù)面臨的主要困難。

1.1 距離無關(guān)定位方法

距離無關(guān)定位方法通過跳數(shù)來計算未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離，有質(zhì)心算法、APIT算法和DV-Hop定位算法。DV-Hop定位算法復(fù)雜度低，在各向同性網(wǎng)絡(luò)中具有較高的定位精度，并且可以覆蓋大范圍的監(jiān)測區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)部署成本低，目前已成為一種經(jīng)典的距離無關(guān)定位方法。

1.2 DV-HOP

D.Nieulesu［8］等 人 提 出 的 APS(Adhoc Positioning system)系統(tǒng)采用的定位方法是:首先采用了經(jīng)典的距離向量交換使所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都能獲取到信標(biāo)節(jié)點的以hop為單位的距離。每一個節(jié)點與其鄰居節(jié)點交互更新。第2階段，一個信標(biāo)節(jié)點在與其他信標(biāo)累積距離后，估計其平均每跳距離，并且將該平均單跳距離作為此信標(biāo)節(jié)點的鄰居節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)部署校正。第3階段，任意節(jié)點在接收校正時，估計自己到信標(biāo)節(jié)點的距離，以單位米表示，用于進行三邊測量。其中校正值的計算方法如下:

式中，(xi，yi)為第j個信標(biāo)節(jié)點的位置;hj為從第j個信標(biāo)節(jié)點到第i個信標(biāo)節(jié)點的跳數(shù)。

如圖1所示，3個信標(biāo)節(jié)點A與B、B與C、C與A之間的跳數(shù)分別為7跳、4跳和4跳，測量距離分別為100 m、65 m和80 m。則估計的網(wǎng)絡(luò)平均單跳距離為:(1065+80)/(7+4+4)=16.3 m。

1.3 RSSI

接收信號強度指示器(RSSI)是一種利用信號傳遞過程中強度衰減特征來進行距離估算的一種測距技術(shù)［9］。

圖1 跳數(shù)信息估計網(wǎng)絡(luò)平均單跳距離示意圖

式中，PL(d)表示傳播距離d之后的信號強度損耗，以dB為單位;η是耗散系數(shù)(又名信號傳播常數(shù))，用于指示耗散隨路徑增加的速率，通常取值為2～4;d0是從發(fā)射端附近測量的一個參考距離;Xσ是隨機環(huán)境噪聲，遵循X～N(0)。

從RSSI的耗散模型可看出，距離越近路徑耗散越小，在接收端測得RSSI值越大，距離越遠，耗散越大;在接收端測得RSSI值越小，因此可以使用節(jié)點間RSSI值來作為其距離大小的比征。在此引入RSSI測距技術(shù)，僅僅作為DV-HOP算法中的一種輔助定位手段，用于限制算法中的跳數(shù)和平均每跳距離值，在算法中并不進行基于RSSI的測距。

如果一個節(jié)點與它的鄰居節(jié)點之間視線連接，那么它的距離測量的平均誤差非常小。如果一個節(jié)點安裝在樹干上、坑井中，那么它的平均誤差將會非常大，因此不加選擇地使用RSSI來定位野外的傳感器將會產(chǎn)生較大的誤差。

由于無線信號在空間的傳播過程中隨著距離的增加，信號強度不斷下降，通過接收端測量信號強度的方式，就估算出發(fā)射端和接收端的距離。其理論路徑耗散函數(shù)如下:

2 RSSI-Hop算法

2.1 算法改進

在實際應(yīng)用中，由于地勢不同，節(jié)點不均勻部署在監(jiān)測區(qū)域中，導(dǎo)致傳感器節(jié)點部署不規(guī)則，一些節(jié)點有幾十個鄰居節(jié)點，而一些節(jié)點只有五六個鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點之間的距離也有很大差距，最短的幾米，而最長的可能有幾十米。非統(tǒng)一部署網(wǎng)絡(luò)中，由于標(biāo)準(zhǔn)DV-HOP算法通常會產(chǎn)生很大的誤差，如果2個節(jié)點到相同的信標(biāo)節(jié)點有相同的跳數(shù)，那么他們的位置估計將會是相同的，這明顯與實際情況不符。

雖然由RSSI得到節(jié)點之間的距離有一定的測量誤差，但是節(jié)點之間的RSSI隨著距離的增加單調(diào)減小，仍具有參考價值。因此可以用RSSI來計算鄰居節(jié)點的關(guān)于RSSI的跳數(shù)，為了表達方便，稱之為RSSI跳數(shù):

式中，∑jDrssi(i，j)表示節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點i的累積距離，Drssi(i，j)由路徑耗散函數(shù)計算而得，di表示信標(biāo)節(jié)點i的平均單跳距離估計:

式中，hj為從第j個信標(biāo)節(jié)點到第i個信標(biāo)節(jié)點的跳數(shù)。

2.2 算法模型

①信標(biāo)節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播自身位置數(shù)據(jù)包:{xi，yi，hopcounti，hrssii}，其中(xi，yi)為信標(biāo)節(jié)點 i的坐標(biāo)，hopcounti為該節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的以hop為單位的最短距離，hrssii為該節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點RSSI跳數(shù)，計算方法如式(3)所示。其中di是根據(jù)信標(biāo)節(jié)點之間RSSI累積距離計算出來的平均單跳距離，由此得到的Hrssi節(jié)點間跳數(shù)信息作為參考，計算節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點之間的距離。根據(jù)RSSI距離在節(jié)點短距離視線靠近時接近真實距離，具有很高的參考價值。相反的，節(jié)點間距離較遠或有遮擋物時，RSSI距離較大，相應(yīng)的距離信息也不準(zhǔn)確，不具有參考價值，因此該處節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點跳數(shù)計算公式如下:

②計算該節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點i的距離ri，計算公式如下:

③當(dāng)該節(jié)點與大于等于3個信標(biāo)節(jié)點有距離估計時，利用三邊測量法估算出自身位置，并升級為附加信標(biāo)節(jié)點參與后續(xù)迭代定位過程，輔助剩余節(jié)點定位。

3 仿真實驗

3.1 實驗設(shè)計

本文的實驗在OMNET平臺上進行，采用c++編程，節(jié)點分為信標(biāo)節(jié)點和普通節(jié)點，hop by hop方式進行節(jié)點信息交互，估算節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點位置，為了監(jiān)測本算法的性能，同時客觀獲取實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)由多次實驗獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值計算而得，所有節(jié)點均采取而為隨機部署方式進行部署。

3.2 實驗結(jié)果分析

在仿真中，節(jié)點隨機部署在500 m*500 m的方形區(qū)域中，設(shè)置節(jié)點的通信距離為30 m。信標(biāo)節(jié)點個數(shù)為6，節(jié)點密度為6。選取其中100個節(jié)點的定位結(jié)果，比較結(jié)果如圖2所示。因為無線線路中的RSSI是非常不穩(wěn)定的，并且對環(huán)境因素十分敏感，很難建模，因此在仿真時隨機選取50%的節(jié)點分布不均勻，且其平均相對測量誤差為20%。其余節(jié)點對之間的測量誤差較小。誤差較大的節(jié)點所占比例越多，表明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署越不均勻，DV-hop中以跳數(shù)表示的節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離也就也失真。

圖2 定位結(jié)果比較

如圖2所示，RSSI-Hop的定位誤差明顯減小，這表明，雖然由RSSI得到的距離估計存在一定的誤差，但是其在一定程度上仍能在一定程度上反映出節(jié)點分布狀況，由此得到的節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的跳段距離更接近于真實距離。尤其當(dāng)節(jié)點分布較為密集時，節(jié)點對越接近，由RSSI得到距離值越接近真實距離，得到的hop數(shù)就越真實。

圖3 定位結(jié)果比較

當(dāng)節(jié)點密度較低時，DV-Hop性能較差，這是因為節(jié)點不統(tǒng)一分布狀況明顯，跳數(shù)所表示的距離嚴(yán)重偏離真實值;當(dāng)節(jié)點密度較大時，這一問題得到緩解，定位精度因此也提高了，尤其是節(jié)點密度由3增加到10時，平均誤差明顯下降。RSSI-Hop隨節(jié)點密度增加，Drssi(i，j)的相對誤差降低，由Hrssi(i)表示的距離更接近真實值，因此定位精度也隨之提高。當(dāng)節(jié)點密度增加到一定程度之后，由于受到網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點數(shù)量等因素的制約，節(jié)點平均定位誤差不再下降而是趨于平和。

4 結(jié)束語

通過分析經(jīng)典的DV-Hop定位算法在計算節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點跳段距離的方面的不足，提出根據(jù)RSSI耗散模型的距離相關(guān)特性，引入Hrssi輔助估算各節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點之間的跳段距離，實驗證明該算法有效提高了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密度較大區(qū)域節(jié)點定位精度，減少了由于節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點跳段距離相同而引起的定位沖突，提高了迭代效率，具有良好的定位效果。但是在障礙物大量存在的網(wǎng)絡(luò)，RSSI并不能很好地反應(yīng)距離相關(guān)特性，不能明顯提高定位精度。

［1］TRIGONI N，KRISHNAMACHARI B.Sensor Network Algorithms and Applications［J］.Phil.Trans.Roy.Soc，2012(370):5-10.

［2］SCHMID J，BEUTLER F，NOACK B，et al.An Experimental Evaluation of Position Estimation Methods for Person Localization in Wireless Sensor Networks［J］.Lecture Notes in Computer Science，2011(6567):147-162.

［3］孫利民.無線傳感網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:148-155.

［4］AMUNDSON I，SALLAI J ，KOUTSOUKOS X，et al.RF Angle of Arrival-based Node Localisation［J］.International Journal of Sensor Networks，2011(9):209-224.

［5］COTARUIZ J，ROSILES J，ERNESTO S，et al.A Low-Complexity Geometric Bilateration Method for Localization in Wireless Sensor Networks and Its Comparison with Least-SquaresMethods ［J］.Sensors，2012(12):839-862.

［6］BOUKERCHE A，OLIVERIA H A B F，NAKAMURA E F，et al.Secure Localization Algorithms for Wireless Sensor Networks［J］.Communications Magazine，IEEE，2008(46):96-101.

［7］STANKOVIC J A，TIAN He.Energy Management in Sensor Networks［J］.Phil.Trans.Roy.Soc，2012(370):52-67.

［8］NICULESCU D，NATH B.DV Based Positioning in ad hoc Networks［J］.Journal of Telecommunication Systems，2003，22(1):267-280.

［9］WEI Xi，HE Yuan，LIU Yun-hao，et al.Locating Sensors in the Wild:Pursuit of Ranging Quality［C］∥New York:Proceedings of the 8th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems，2011:295-308.