石魯生　朱慧博

摘要：為提高基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位精度，分析基于測距和非測距室內(nèi)定位算法的優(yōu)缺點(diǎn)，以常規(guī)RSSI算法和質(zhì)心定位算法為基礎(chǔ)，提出了一種基于RSSI的區(qū)域重疊質(zhì)心定位算法。算法通過建立信號傳輸模型，在未知節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息的重疊區(qū)域運(yùn)用質(zhì)心算法進(jìn)行定位。仿真結(jié)果表明，與普通質(zhì)心算法相比，該算法定位效果更加精確。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；定位算法；區(qū)域重疊；質(zhì)心算法；RSSI

0引言

近年來隨著微電子技術(shù)和無線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Senor Network，WSN）的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)深入涉及了軍事偵查、醫(yī)學(xué)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、智能家居監(jiān)控、搶險救災(zāi)等廣闊領(lǐng)域。在室內(nèi)環(huán)境下如監(jiān)獄管理、煤礦開采、樓宇火災(zāi)預(yù)警等，如果利用WSN可以獲取準(zhǔn)確的位置信息，則可以發(fā)揮重要作用，具有明顯的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

目前已有的GPS和RFID定位技術(shù)，因成本較高，信號無法穿透各類障礙物等原因，在室內(nèi)定位中很難獲得預(yù)期效果。在室內(nèi)環(huán)境下，WSN傳輸?shù)碾娮硬ù嬖诖罅康姆瓷?、散射和繞射現(xiàn)象，傳感器接收來自不同路徑的信號，產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑衰落效應(yīng)。原來針對室外應(yīng)用而設(shè)計的WSN定位算法應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，效果并不理想。雖然目前有多類室內(nèi)WSN定位算法，但這些算法卻大多對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟筝^高、定位精度低、通信和計算開銷都較大，難以實現(xiàn)低功耗、低成本的WSN室內(nèi)定位。

1常見定位算法

WSN中實際部署的節(jié)點(diǎn)分為2類。一類是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Beacon Node），可以通過GPS或人工部署方式獲得其位置坐標(biāo)；另一類是未知節(jié)點(diǎn)（Unknown Node），其位置坐標(biāo)未知。由于受到網(wǎng)絡(luò)通信成本等因素的限制，網(wǎng)絡(luò)中位置坐標(biāo)已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)一般比例較少。常見定位算法可以分為基于非測距的定位算法和基于測距的定位算法。下面將分別給出研究論述與闡析。

1.1基于非測距的定位算法

基于非測距的定位算法不需要測量未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離或角度等信息，僅僅通過聯(lián)通性、能量消耗或者區(qū)域面積等信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的距離評估，主要適用于對定位精度要求不高的場景，典型算法有近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試定位算法（Approximate Point-in-triangulation Test，APIT）、距離向量定位算法（Distance Vector-Hop，DV-Hop）和質(zhì)心定位算法（Centroid Location，CL）等。具體分述如下。

首先，在APIT定位算法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)會定時廣播自己的坐標(biāo)信息，未知節(jié)點(diǎn)通過與鄰居節(jié)點(diǎn)相互交換接收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位信號強(qiáng)度來判斷自己是否位于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)，將對定位產(chǎn)生影響的三角形篩選出來，從而估計節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的區(qū)域。APIT定位算法中，至為關(guān)鍵的一步就是測試未知節(jié)點(diǎn)在3個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的三角形內(nèi)部還是外部。算法主要缺點(diǎn)是，基于分布上的隨機(jī)性，節(jié)點(diǎn)和子區(qū)域均呈現(xiàn)非均勻分布，易造成某些未知節(jié)點(diǎn)無法定位，另外在定位精度和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的能耗之間也突顯出一定的矛盾制約關(guān)系。

其次，DV-Hop定位算法方法簡單、定位精度較高，可以運(yùn)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例相對較少的研究環(huán)境，但該算法通信量較大，并可能伴隨信息沖突、信息內(nèi)爆等問題。若需優(yōu)化目標(biāo)節(jié)點(diǎn)精度要求，算法即會對網(wǎng)絡(luò)部署密集度和拓?fù)湟?guī)則度提出更高要求。

第三，質(zhì)心定位算法的核心思想是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地向相鄰的未知節(jié)點(diǎn)廣播自身ID和位置信息，未知節(jié)點(diǎn)則接收來自不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號，當(dāng)接收信號數(shù)量超過某個特定值或持續(xù)接收固定的時間段后，就將該節(jié)點(diǎn)的自身位置當(dāng)作所有發(fā)送信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成多邊形的幾何質(zhì)心，從而形成質(zhì)心定位算法。該算法的優(yōu)勢是對硬件沒有額外要求，計算量也不大，但其不足卻表現(xiàn)在定位需要較多的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且邊界節(jié)點(diǎn)定位困難，因此算法整體定位精度也仍然偏低。

1.2基于測距的定位算法

基于測距的定位算法，通常有較高的定位精度，需要對傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測量，由此而對節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)展開估算。根據(jù)不同的測距技術(shù)，常見的算法歸納為基于信號到達(dá)時間的算法（Time of Arrival，TOA）、基于信號到達(dá)角度的算法（Angle of Arrival，AOA）、基于信號傳輸時間差的算法（Time Difference of Arrival，TDOA）和基于接收信號強(qiáng)度的算法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）等4種。。

其中，TOA算法需要節(jié)點(diǎn)間有直接通信路徑且通信滿足嚴(yán)格的時間同步；AOA算法中，節(jié)點(diǎn)需要天線陣列或者多個接收器等額外的硬件支持，增加了傳感器的尺寸和成本；TDOA算法定位技術(shù)精度較高，但同樣需要增加額外的硬件且測距范圍有限，一般在3～10 m之間：而RSSI算法在實際應(yīng)用環(huán)境中，無需配設(shè)專用的硬件，應(yīng)用成本和復(fù)雜度都較低，但卻容易受到干擾，建模較困難，在不同的室內(nèi)環(huán)境中，不同材料結(jié)構(gòu)、不同的室內(nèi)布置、不同建筑物的尺寸等都會使無線信號強(qiáng)度也隨即發(fā)生變化，從而影響其定位精度。