李青云

（晉中信息學(xué)院 信息工程學(xué)院 山西省晉中市 030800）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，自動(dòng)化需求越來越高，因此相關(guān)研究人員基于互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以作為互聯(lián)網(wǎng)與外界的連接載體，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳輸，因此其提高了數(shù)據(jù)的綜合處理效率，符合目前的自動(dòng)化需求，被廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過程中常常需要獲取節(jié)點(diǎn)的位置信息，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題已經(jīng)成為目前應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要問題。相關(guān)研究人員在這種情況下研究出了各種各樣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法，但現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法往往受實(shí)際時(shí)間開銷和定位效率影響，無法滿足目前的低功耗需求，因此急需設(shè)計(jì)一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法來提高節(jié)點(diǎn)定位效率，降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位功耗。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法

1.1 測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號傳輸距離

本方法利用Fingerprint 信息定位方法進(jìn)行測距及位置信息的采集，實(shí)現(xiàn)精確定位。首先需要測量節(jié)點(diǎn)之間的初始距離，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布采集信號傳輸過程中的特征因素，計(jì)算此時(shí)的TDOA 數(shù)值和方向角AOA，根據(jù)采集的距離信息進(jìn)行定位計(jì)算，受實(shí)際定位效果影響，在定位參數(shù)計(jì)算過程中TOANLSLLSLPOCS 數(shù)值可能存在誤差，可以使用模塊輔助方法或非測距法進(jìn)行計(jì)算，還可以利用各節(jié)點(diǎn)之間的地理關(guān)系和節(jié)點(diǎn)能耗消耗情況，設(shè)置相對應(yīng)的位置信息坐標(biāo)，降低信號傳輸距離測距的難度，定位過程示意圖如圖1 所示。

由圖1 可知，在整個(gè)定位過程中，信號信息與位置信息的關(guān)系可作為定位誤差判斷的關(guān)鍵因素，可以使用額外模塊輔助法，在定位節(jié)點(diǎn)中添加其他類型的定位模塊，實(shí)現(xiàn)有效定位。

圖1：定位示意圖

首先，根據(jù)信號的定位需求計(jì)算節(jié)點(diǎn)信號的定位參數(shù)，傳統(tǒng)的信號傳輸定位方法往往使用測距法或非測距法進(jìn)行定位，但受實(shí)際功耗的影響，本文設(shè)計(jì)的方法將測距法與非測距法中的優(yōu)勢結(jié)合，利用RSSI 技術(shù)進(jìn)行定位，消除環(huán)境中傳輸介質(zhì)、噪聲等對定位結(jié)果帶來的影響。

可以利用Distance Vector hop，計(jì)算距離矢量，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的通信關(guān)系估算節(jié)點(diǎn)信號的傳輸距離，在預(yù)估的初始階段需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的初始位置構(gòu)建節(jié)點(diǎn)信息傳遞表，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)跳數(shù)min 數(shù)值得到節(jié)點(diǎn)的平均距離關(guān)系，受節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)誤差影響，需要增加節(jié)點(diǎn)平均距離值，提高節(jié)點(diǎn)距離估算的精度，最后，根據(jù)得出的平均距離值進(jìn)行LLS 計(jì)算，得出最終的節(jié)點(diǎn)信號傳輸距離。

1.2 基于RSSI構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位模型

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際定位過程中，可能出現(xiàn)時(shí)間差過小產(chǎn)生的距離測量缺陷，這種缺陷往往會(huì)導(dǎo)致信號的傳播效率降低，傳播差分時(shí)間無法滿足實(shí)際定位需求，RSSI 是一種接收信號強(qiáng)度指示技術(shù)，可以根據(jù)信號的傳播關(guān)系實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)距離的準(zhǔn)確估算和定位，且實(shí)際RSSI 技術(shù)定位過程中可以解決定位損耗問題，基于此構(gòu)建的RSSI 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位模型如下（1）所示。

模型（1）中，P代表定位功率，G代表發(fā)射信號，G代表接收增益，λ 代表波長，d代表衰減指數(shù)，L 代表損耗，應(yīng)用該模型可以有效計(jì)算路徑損耗，得出傳播衰減情況，判斷各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，RSSI 可以將衰減損耗劃分成兩個(gè)類型，即信號損耗和傳播距離損耗，該模型利用RSSI 中的信號強(qiáng)度指示理論能有效判斷定位路徑損耗變化，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位效率。

構(gòu)建RSSI 損耗模型后需要計(jì)算接收信號與實(shí)際定位節(jié)點(diǎn)之間的反射角度，因此需要利用Angle of arrival 和Direction of arrival 進(jìn)行反向角度提取，首先根據(jù)接收的節(jié)點(diǎn)信號部署相應(yīng)的陣列天線，結(jié)合相位信息之間的角度差值來判斷到達(dá)角的數(shù)值，接下來利用AOA 驗(yàn)證到達(dá)角實(shí)際數(shù)值的計(jì)算準(zhǔn)確度，根據(jù)最小輸出功率的變化情況完成位置計(jì)算，降低定位時(shí)間損耗。

1.3 設(shè)計(jì)RSSI定位算法

應(yīng)用設(shè)計(jì)的RSSI 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位模型定位過程中存在測量角度和測量距離參數(shù)，對確定無線傳感器的定位位置有重要意義，因此需要設(shè)計(jì)與實(shí)際定位相符的RSSI定位算法，提高定位效果，首先可以根據(jù)到達(dá)角狀態(tài)利用三角定位法計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，定位角的計(jì)算公式如下（2）所示。

公式（2）中，(x,y)代表基站坐標(biāo)數(shù)據(jù)，(x,y)代表發(fā)射坐標(biāo)數(shù)據(jù)，此時(shí)基站之間的關(guān)系可以用45°角的發(fā)射線來描述。計(jì)算定位角后可以進(jìn)一步確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的二維空間坐標(biāo)關(guān)系，此時(shí)設(shè)置三角定位發(fā)射點(diǎn)，發(fā)射位置T 與實(shí)際發(fā)射角度θ、θ的關(guān)系如下（3）、（4）所示。

公式（3）、（4）中，L 代表基站基礎(chǔ)距離，三角定位算法中的實(shí)際發(fā)射角度計(jì)算越準(zhǔn)確，定位效果就越好，設(shè)計(jì)的算法具有AOA 定位優(yōu)勢，即可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與接收端的同步操作，降低實(shí)際操作誤差，還可以使用多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，降低實(shí)際定位時(shí)間開銷，設(shè)計(jì)該算法后，本方法對其進(jìn)行了距離定位測試，測試結(jié)果表明，該算法的到達(dá)角存在不精確的問題，因此無法適應(yīng)長距離定位，需要對其進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)[13]。

1.4 對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)

采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位過程中的環(huán)境干擾因子，對其進(jìn)行通信損耗測試，可以進(jìn)一步對設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行定位優(yōu)化改進(jìn)，受定位環(huán)境影響，改進(jìn)的行為算法利用了多邊定位原理，增加了二維定位中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠性，有效降低長距離定位中的環(huán)境影響因素，此時(shí)的改進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法如下（5）所示。

改進(jìn)算法（5）中，(x,y)、(x,y)…(x,y)代表N 個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，對該改進(jìn)算法進(jìn)行求解可以得出精確的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用該改進(jìn)算法盡心迭代權(quán)重測試，選取迭代權(quán)重高于1 的部分進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位，避免無線信號傳播過程中環(huán)境噪聲對定位結(jié)果帶來的影響，增加最優(yōu)解尋找的效率，對選取的十個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行權(quán)重值測試，測試結(jié)果分別為1.64、1.54、1.35、1.48、1.45、1.20、1.12、1.14、1.03、1.48， 權(quán)重值測試結(jié)果均滿足節(jié)點(diǎn)定位權(quán)重需求，實(shí)際測試過程中，如果節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)綜合配置并進(jìn)行三邊優(yōu)化輔助，進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，此時(shí)優(yōu)化后的位置矩陣需要滿足坐標(biāo)向量與二維向量之間的對應(yīng)關(guān)系，合理對測試范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合部署，即可避免部署位置共線對定位結(jié)果造成的影響。

1.5 實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位

第一步，利用設(shè)計(jì)的RSSI 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的定位情況，估算RSSI 定位距離值，第二步，利用路徑損耗定位Fingerprint 法進(jìn)行未知估算，確定此時(shí)的路徑損耗參數(shù)，第三步，采集測試區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的RSSI 位置信息，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定位庫進(jìn)行綜合比對，得出個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置，第四步，結(jié)合RSSI 信號指示強(qiáng)度與Fingerprint 參數(shù)根據(jù)距離理論得出各個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位信息，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位，一旦在定位過程中出現(xiàn)自由空間傳播現(xiàn)象，可以立即設(shè)計(jì)發(fā)射功率與接收功率計(jì)算式，繪制PRS 接受功率示意圖，排除自由空間傳播對實(shí)際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位造成的誤差，增加定位的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)

為了檢測設(shè)計(jì)的基于RSSI 的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的定位效果，將其與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

受實(shí)際定位誤差影響，為了提高實(shí)驗(yàn)的有效性，本文使用MATLAB 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，選取120m×120m×120m 驗(yàn)證空間，部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)若干個(gè)，此時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1：實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由表1 可知，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)分布合理，節(jié)點(diǎn)數(shù)量與錨點(diǎn)數(shù)量呈3:1 的關(guān)系，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離符合節(jié)點(diǎn)的迭代需求，根據(jù)實(shí)際節(jié)點(diǎn)變化情況可知，各節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)度會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的迭代次數(shù)變化而變化，與其成反比關(guān)系，即節(jié)點(diǎn)的迭代次數(shù)越多，迭代適應(yīng)度值越小，最后逐漸與最優(yōu)數(shù)值相擬合，測距誤差會(huì)隨著衰減函數(shù)的慣性值變化而變化，隨著迭代次數(shù)增加，一旦其到達(dá)了特定的點(diǎn)則會(huì)獲得最小自適應(yīng)函數(shù)，降低算法運(yùn)行的總功耗，提高算法運(yùn)行的效率，在算法運(yùn)行的中后期，需要逐漸提高函數(shù)的搜索能力，根據(jù)該原理繪制的自適應(yīng)變化曲線如圖2 所示。

圖2：自適應(yīng)變化曲線

由圖2 可知，在迭代前期，迭代總體權(quán)重較高，算法的搜索能力也較強(qiáng)，隨著迭代次數(shù)的增加，算法的權(quán)重也在逐漸降低，自適應(yīng)度也趨于穩(wěn)定，算法的尋優(yōu)能力也逐漸下降，此時(shí)可以快速地找到最優(yōu)解，提高算法的有效性。

本文設(shè)計(jì)的RSSI 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的實(shí)際誤差受信號傳輸模型的組成和迭代影響，因此本實(shí)驗(yàn)為了增加測試的效率，利用WPSOWFARSSIDEC 分化測試誤差，設(shè)計(jì)信號傳輸模型，因此繪制了誤差分化曲線，如圖3 所示。

圖3：誤差分化曲線

由圖2 可知，此時(shí)的誤差分化曲線主要代表測試階段的誤差變化，為了確定實(shí)際誤差值與測試誤差值之間的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)使用四邊定位法劃分選取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)尋優(yōu)參數(shù)，部分節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如表2 所示。

表2：誤差節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

由表2 可知，此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)符合后續(xù)的信號傳輸實(shí)驗(yàn)的測試需求，受損耗因子影響，在實(shí)際測試過程中選取的信號模型可能存在錨節(jié)點(diǎn)測距誤差變化情況，會(huì)影響實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此需要利用最優(yōu)信號參數(shù)x 來消除誤差變化，避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果受測距誤差影響。

上述過程準(zhǔn)備完畢后需要繪制節(jié)點(diǎn)路徑損耗示意圖，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間損耗的實(shí)際變化情況選取不同的測距優(yōu)化算法，測量距離在實(shí)際判斷過程中還需要參照PL（d）的初始值，初始值在-35dBm～-45dBm 之間時(shí)算法處于最佳運(yùn)算階段，此時(shí)的測距誤差較小，隨著算法的進(jìn)一步迭代，算法的定位效果規(guī)劃也逐漸清晰，定位誤差也逐漸減小，便于后續(xù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在理想環(huán)境下測試空間內(nèi)需要排除陰影、噪聲誤差等重要誤差的干擾，此時(shí)的測試空間呈交叉狀態(tài)。該環(huán)境屬于圓周環(huán)境，測試空間呈相交狀態(tài)，根據(jù)此時(shí)的理想環(huán)境分布及上述的準(zhǔn)備坐標(biāo)，使用公式（1）計(jì)算傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法和本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的時(shí)間開銷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3：實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，設(shè)計(jì)的基于RSSI 的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法的時(shí)間開銷較小，證明其符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的低功耗需求，具有有效性。

3 結(jié)束語

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和進(jìn)步與我國自動(dòng)化發(fā)展息息相關(guān)，因此本文設(shè)計(jì)了基于RSSI 的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位存在的時(shí)間開銷長，定位效率低的問題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，設(shè)計(jì)的RSSI 定位方法的時(shí)間開銷明顯低于其他幾種傳統(tǒng)定位方法的時(shí)間開銷，證明設(shè)計(jì)的方法定位效果好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的參考。