專利名稱：一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)需測(cè)距技術(shù)的信號(hào)圖定位方法，特別涉及一種基于信號(hào)強(qiáng)度距 離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanism system,簡(jiǎn)稱MEMS)、無(wú)線 通信和數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步誕生了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,簡(jiǎn) 稱WSN)。對(duì)于大多數(shù)WSN應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的。 傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說(shuō)明"在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件"， 實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和追蹤。
WSN的自身定位技術(shù)主要分為基于測(cè)距技術(shù)(Range-Based)與無(wú)須測(cè)距技術(shù) (Range-Free)。其中Range-Based技術(shù)通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信 息，使用三邊測(cè)量、三角測(cè)量或最大似然估計(jì)定位法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置；Range-Free技 術(shù)則無(wú)須距離和角度信息,僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息即可實(shí)現(xiàn)。
基于Range-free技術(shù)的WSN定位方法主要分為DV-Hop、凸規(guī)劃和 MDR-MAP等。Range-Free技術(shù)的特點(diǎn)為普適性較好，不需要額外設(shè)備，但定位 精度較差，錨節(jié)點(diǎn)密度較高。
基于Range-Based技術(shù)的WSN定位方法主要有RSSI、TOA、TDOA和AOA。 TOA (Time Of Arrival) 、 DOA (Time Difference On Arrival) 、 AOA (Angle Of Arrival)等技術(shù)?；赗ange-Based技術(shù)的定位方法大多需要額外硬件,使得系統(tǒng) 成本增加。RSSI (Received Signal Strength Indicator)根據(jù)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)間
信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位，不需要額外硬件，系統(tǒng)成本較低。
在RSSI定位技術(shù)中，信號(hào)圖定位方法(Radio-Map)由于其低算法復(fù)雜度、
不需要額外設(shè)備等特點(diǎn)備受關(guān)注。但是基本信號(hào)圖定位方法也存在缺陷，主要表現(xiàn)為 離線階段部署工作量大；采用無(wú)線信號(hào)傳輸模型導(dǎo)致其普適性較差，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變 時(shí)，需要重新初始化所有系統(tǒng)參數(shù)。因此，本發(fā)明公開(kāi)一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法，不 依賴于無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)木唧w模型，無(wú)需將信號(hào)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換成物理空間距離，所以， 普適性更強(qiáng)。 發(fā) 明 內(nèi) 容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào) 圖定位方法，通過(guò)該方法，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需測(cè)距技術(shù)、只利用信號(hào)圖和信號(hào)強(qiáng)度信息對(duì) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位。
本發(fā)明的采用的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法分為 兩個(gè)階段
第一階段為信號(hào)空間模型建立階段，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置一些已知位置的錨節(jié) 點(diǎn)，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況選取一系列的參考位置點(diǎn)，記錄下所有參考位置點(diǎn)的 三維坐標(biāo)，構(gòu)成物理位置信息矩陣，并在各個(gè)參考位置點(diǎn)對(duì)所有錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次信號(hào) 強(qiáng)度采集，采用"平均值法"求出由各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)成的參考位置點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度 向量，所有參考位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度向量構(gòu)成當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣。
第二階段為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)后，采用"平均值法"，對(duì) 多次采集到的各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度取其平均值，減少由于環(huán)境等因素對(duì)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 接收到的信號(hào)強(qiáng)度向量的影響，得到由各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度平均值構(gòu)成的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 信號(hào)強(qiáng)度向量。接著利用補(bǔ)償?shù)腒值近鄰法選取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居參考位置節(jié)點(diǎn)，計(jì) 算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度向量與所有參考位置點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度向量在各維(從各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收 到的信號(hào)強(qiáng)度)上信號(hào)強(qiáng)度差的平方并求出所有信號(hào)強(qiáng)度差平方的平均值，目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 在獲取各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的過(guò)程中置信大多數(shù)維度上的信號(hào)強(qiáng)度，將與信號(hào)強(qiáng)度平 方的平均值相差最大的i^C (i^C的取值約為錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的1/4)個(gè)維度的值用上
述平均值替換，利用上述計(jì)算得出的修正后的信號(hào)強(qiáng)度差的平方，通過(guò)公式計(jì)算各個(gè) 參考位置點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的歐幾里德距離，選取出所有計(jì)算出的歐幾里德距離的最小 值，如果最小值小于等于l，說(shuō)明目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就在該參考位置點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，直接釆用 該參考點(diǎn)作為定位結(jié)果，否則將滿足鄰居參考位置點(diǎn)判別公式的參考位置點(diǎn)選入鄰居 參考位置點(diǎn)集合，計(jì)箅各個(gè)鄰居參考位置點(diǎn)對(duì)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，通過(guò)權(quán)重和鄰居參 考位置點(diǎn)的三維坐標(biāo)的計(jì)箅，得出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。


圖1是本發(fā)明基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法的系統(tǒng)應(yīng)用部署圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明的采用的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)
圖定位方法分為兩個(gè)階段
第一階段為信號(hào)空間模型建立階段，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置一些已知位置的錨節(jié) 點(diǎn)，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況選取一系列的參考位置點(diǎn)，記錄下所有參考位置點(diǎn)的 三維坐標(biāo)，構(gòu)成物理位置信息矩陣，并在各個(gè)參考位置點(diǎn)對(duì)所有錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次信號(hào) 強(qiáng)度采集，采用"平均值法"求出由各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)成的參考位置點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度 向量，所有參考位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度向量構(gòu)成當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣。
第二階段為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)后，采用"平均值法"，對(duì) 多次釆集到的各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度取其平均值，減少由于環(huán)境等因素對(duì)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 接收到的信號(hào)強(qiáng)度向量的影響，得到由各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度平均值構(gòu)成的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 信號(hào)強(qiáng)度向量。接著利用補(bǔ)償?shù)摹吨到彿ㄟx取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居參考位置節(jié)點(diǎn)，計(jì)算 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度向量與所有參考位置點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度向量在各維(從各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)接收到 的信號(hào)強(qiáng)度)上信號(hào)強(qiáng)度差的平方并求出所有信號(hào)強(qiáng)度差平方的平均值，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在 獲取各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的過(guò)程中置信大多數(shù)維度上的信號(hào)強(qiáng)度，將與信號(hào)強(qiáng)度平方 的平均值相差最大的戶BC (尸SC的取值約為錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的1/4)個(gè)維度的值用上述 平均值替換，利用上述計(jì)箅得出的修正后的信號(hào)強(qiáng)度差的平方，通過(guò)公式計(jì)算各個(gè)參 考位置點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的歐幾里德距離，選取出所有計(jì)算出的歐幾里德距離的最小值， 如果最小值小于等于1，說(shuō)明目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就在該參考位置點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)，直接釆用該參 考點(diǎn)作為定位結(jié)果，否則將滿足鄰居參考位置點(diǎn)判別公式的參考位置點(diǎn)選入鄰居參考 位置點(diǎn)集合，計(jì)算各個(gè)鄰居參考位置點(diǎn)對(duì)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，通過(guò)權(quán)重和鄰居參考位 置點(diǎn)的三維坐標(biāo)的計(jì)算，得出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
在本發(fā)明中，所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一些已知位置的節(jié)點(diǎn)(也稱錨節(jié)點(diǎn))和一 些位置未知的節(jié)點(diǎn)(也稱目標(biāo)節(jié)點(diǎn))所構(gòu)成。利用信號(hào)圖對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，還會(huì)在傳 感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中選擇一系列的參考位置點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合為^^{^;,^12,...,^;}，其中，A^為傳感器網(wǎng)絡(luò)中第 一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，A^為傳感器網(wǎng)絡(luò)中第二個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，ivi;為傳感器網(wǎng)絡(luò)中第p個(gè)目
標(biāo)節(jié)點(diǎn)，也稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
如圖2所示，共有2個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^和A^。
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于任意一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;，采用如下步驟確定自身位置-.
步驟l:利用平均值法建立信號(hào)空間模型，計(jì)算獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣(簡(jiǎn)
稱網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣)和物理位置信息矩陣(簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)物理位置矩陣)；
步驟2:根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度平均值法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度向量。
步驟3:利用補(bǔ)償?shù)摹吨到彿ㄟx取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)AT^的近鄰參考位置點(diǎn)。
步驟4 :利用信號(hào)強(qiáng)度加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)
《、c《',)。
在本發(fā)明的步驟1中，計(jì)算獲得網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣和物理位置矩陣的處理步驟
為
步驟101:布置定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，投放"個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)集合為 A^ = {A^,^2,...,7H}，其中，iV4表示傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，A^表示傳 感器網(wǎng)絡(luò)中的第二個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，W4表示傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，也稱為傳感器
網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。
如圖2所示，有4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，i^—iV4,iV4,W4,A^V 。
步驟102:在定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域選取m個(gè)參考位置點(diǎn)，并記錄每個(gè)參考位置點(diǎn)的三 維物理坐標(biāo)。參考位置點(diǎn)集合為AP:(i^,/^,…,i iU，其中，i^為傳感器網(wǎng)絡(luò)中 第一個(gè)參考位置點(diǎn)，^尸2為傳感器網(wǎng)絡(luò)中第二個(gè)參考位置點(diǎn)，i^,表示傳感器網(wǎng)絡(luò)中
的第m個(gè)參考位置點(diǎn)，也稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)參考位置點(diǎn)。
任意參考位置點(diǎn)的三維坐標(biāo)為尸氣,=(x,,,,_y ,,z ,)，構(gòu)建物理位置矩陣
，尸叫表示參考位置點(diǎn)的位置坐
標(biāo)(x,,少,,^) ， 表示參考位置點(diǎn)i P2的位置坐標(biāo)(x2,力,z2) ， i30、,表示參考位置點(diǎn)
Mm的位置坐標(biāo)(1 ,,凡',^,)，也稱為任意參考位置點(diǎn)i i^的位置坐標(biāo)(Xn，,^，^)。
一 P叫，
=少2
，V凡Z/ 7 一如圖2所示，有12個(gè)參考位置點(diǎn)i 尸-W^i ^,…,i^2)。
一 M —少l Zl
記錄這12個(gè)參考位置點(diǎn)的三維物理坐標(biāo)為^^05|2—3 = 2& Z2
"2 Z12-
尸0&表示參考位置點(diǎn)i 《2的位置坐標(biāo)(xl2 jI2 ， z12)。
步驟103:在每一個(gè)參考位置點(diǎn)，測(cè)量并記錄所有錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，并進(jìn)行A 次重復(fù)測(cè)量。
對(duì)于任意一個(gè)參考位置點(diǎn)i /;，測(cè)量任意錨節(jié)點(diǎn)A^的信號(hào)強(qiáng)度，每測(cè)量一次，
就得到一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度值，經(jīng)過(guò)A次重復(fù)測(cè)量后，得到如下一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度向量 "^V丄i S&,二…^SV力，簡(jiǎn)稱參考位置點(diǎn)多次測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度向量，其 中i^&,J表示在任意參考位置點(diǎn)i 《,對(duì)任意錨節(jié)點(diǎn)A「A進(jìn)行第一次測(cè)量所得到的信 號(hào)強(qiáng)度，i 5S, _ 2表示在任意參考位置點(diǎn)i Pm對(duì)任意錨節(jié)點(diǎn)M4 進(jìn)行第二次測(cè)量所得到 的信號(hào)強(qiáng)度，i SS ,_/表示在任意參考位置點(diǎn)i^ ,對(duì)任意錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第A次測(cè)量所 得到的信號(hào)強(qiáng)度，也表示在任意參考位置點(diǎn)M，,對(duì)任意錨節(jié)點(diǎn)A64 進(jìn)行任意一次測(cè)量
所得到的信號(hào)強(qiáng)度，*表示重復(fù)測(cè)量標(biāo)識(shí)。
在本發(fā)明中，任意參考位置點(diǎn)i^',，如果任意一次測(cè)量不能接收到錨節(jié)點(diǎn)iV4的 信號(hào)，則對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值iW&,一/為0，即7 &,一/=0
如圖2所示，在12個(gè)參考位置點(diǎn)處，測(cè)量并記錄4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，重復(fù)
測(cè)量A次。則得到
i &T卜,=(i CS—卩，…,i 瑪力，
鵬*卜2 =(i Sd2,.."i SS,_/)，
i 然；3 二(i 瑪一3',W5^一32,…,i 瑪Y)，
i S5^卜4 = (i 5^一4',i 5"iS一 ,…,W5"S—，
i &S 12_2 = (i 5"iS，2一2i，i iS5^2—22"."/ 5*5"12—2"， i 5^2一4 = (i 51>S12—41,_/ 5"5<12_42，...，i 51SI12-4;c)。步驟104:根據(jù)步驟103得到的參考位置點(diǎn)多次測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度向量i 5^,V，利 用平均值法計(jì)算任意錨節(jié)點(diǎn)AM"在任意參考位置點(diǎn)尺《,,處的信號(hào)強(qiáng)度
任意參考位置點(diǎn)處測(cè)量計(jì)算的所有錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)成一個(gè)向量，
簡(jiǎn)稱參考位置點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度向量<formula>formula see original document page 10</formula>，
其中，WS&,一表示任意參考位置點(diǎn)i 《處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)A^的信號(hào)強(qiáng)度， 2表示任意參考位置點(diǎn)處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)w2的信號(hào)強(qiáng)度，i ss, — 表示任 意參考位置點(diǎn)^ 《,處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。
步驟105:根據(jù)步驟104所計(jì)算得到的i SS。卜"，形成信號(hào)空間的矩陣戶7 ^,_ ，
<formula>formula see original document page 10</formula>
,其中表示參考位置點(diǎn)^的信號(hào)
強(qiáng)度向量，i &sf表示參考位置點(diǎn); P2的信號(hào)強(qiáng)度向量，表示參考位置點(diǎn)i /^的
信號(hào)強(qiáng)度向量，i 5^-,表示參考位置點(diǎn)^^處測(cè)量計(jì)箅的錨節(jié)點(diǎn)A^的平均信號(hào)強(qiáng)度， i SS^表示參考位置點(diǎn)M處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度，表示參 考位置點(diǎn)WP ,處測(cè)量計(jì)箅的錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度，i S&,^表示參考位置點(diǎn)i P , 處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)M4 的平均信號(hào)強(qiáng)度。
如圖2所式，則得到12個(gè)參考位置點(diǎn)處、4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)空間矩陣^ 5^|2一4 :
<formula>formula see original document page 10</formula> ,
，其中7 5V,表示參考位置點(diǎn)^處測(cè)量
<formula>formula see original document page 10</formula>，
計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)a^的平均信號(hào)強(qiáng)度，i ss^表示參考位置點(diǎn)i^處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn) A"4的平均信號(hào)強(qiáng)度，i^S^表示參考位置點(diǎn)i ^處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的平均信 號(hào)強(qiáng)度，^竭2—4表示參考位置點(diǎn)/^2處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)崩4的平均信號(hào)強(qiáng)度。
在本發(fā)明中，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度平均值法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;的i^《T向量的處理
步驟為
步驟201:目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M;進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域后，讀取所有錨節(jié)點(diǎn)^i的信號(hào)強(qiáng)度
數(shù)據(jù)，進(jìn)行*次重復(fù)讀取。得到如下 一 個(gè)信號(hào)強(qiáng)度向量
i ss、" = ,ms,2" "，其中i ssOT,, '表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)iV7;第一次采集 到的任意錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，i^s,,,/表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)vV7;第二次釆集到的任意錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)AT,,第A次釆集到的任意錨節(jié)點(diǎn)M4"的信 號(hào)強(qiáng)度，也表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ATp任意一次釆集到的任意錨節(jié)點(diǎn)A^的信號(hào)強(qiáng)度。*表示 重復(fù)測(cè)量標(biāo)識(shí)。
步驟202:根據(jù)步驟201所得到的信號(hào)強(qiáng)度向量i Sr^"，利用平均值法計(jì)算 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)^t;對(duì)任意錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度i &sot, 。 愿附,, =(腐附,'+艦 ,2 +... +腐、7;/)/^:
步驟203:根據(jù)步驟202所得到的平均信號(hào)強(qiáng)度^5\,,, ，獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;處
所有錨節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度向量i &s;T (簡(jiǎn)稱目標(biāo)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度向量)
表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)#7;處第一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)#4的平均信號(hào)強(qiáng)度， ^ssVv表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)m;處第二個(gè)錨節(jié)點(diǎn)#4的平均信號(hào)強(qiáng)度， i ^OTp 表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)m;處第"個(gè)錨節(jié)點(diǎn)#4的平均信號(hào)強(qiáng)度，也稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn) ivrp處任意錨節(jié)點(diǎn)M4 的平均信號(hào)強(qiáng)度。
通過(guò)對(duì)多次采集到的信號(hào)強(qiáng)度向量求平均值，減少由于環(huán)境等因素對(duì)于目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 接收到的信號(hào)強(qiáng)度向量的影響。
在本發(fā)明中，利用補(bǔ)償?shù)腲值近鄰法選取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居參考位置節(jié)點(diǎn)處理
步驟為
步驟301:計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;的信號(hào)強(qiáng)度向量i S《'與任意參考位置點(diǎn)/ 尸 ,的信
號(hào)強(qiáng)度向量各維的差值的平方，即計(jì)算任意錨節(jié)點(diǎn)AM,，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ATp與參考位置點(diǎn)
i^,處的信號(hào)強(qiáng)度差的平方(簡(jiǎn)稱錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差平方)，記為Ai SSr"'，表達(dá)式 為Ai 然廣=— M&,—J2 。
在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;與參考位置點(diǎn)i S,，處的所有錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差平方構(gòu)成一個(gè)向
量，簡(jiǎn)稱信號(hào)強(qiáng)度差平方向量，記為M5^—"'， M然"=(M《"',M W一"',…,馬&"')
A7 51S廣"'表示錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差平方，Ai 5Sf"'表示錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差 平方，Ai^《一"'表示錨節(jié)點(diǎn)A^信號(hào)強(qiáng)度差平方。
步驟302:計(jì)算所有的n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度差平方的平均值A(chǔ)^^"'， Z^^"' = (Ai C' + MSS2"' +…十A/ SSf"')/";
步驟303:信號(hào)強(qiáng)度差平方的平均值補(bǔ)償。即將信號(hào)強(qiáng)度差平方向量Ai^S"'中 的各維度與A^;'相差最大的PSC個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差平方值用替換修正，設(shè)修正后的信號(hào)強(qiáng)度差平方向量為A/ 5^'一 ，
麗"'=(涵",涵r"'，…廁:—'")。
步驟304:利用修正后的信號(hào)強(qiáng)度差平方向量計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ATp與參考位置點(diǎn)
的距離，簡(jiǎn)稱目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考位置點(diǎn)的信號(hào)距離，記為， D/S: = (A/ SS「 + +…+腐&"') /";
步驟305:重復(fù)步驟301至步驟304，直到窮盡完所有的參考位置點(diǎn)，則得到
了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^;相對(duì)于所有參考位置點(diǎn)的w個(gè)信號(hào)距離Dzs,"， d/《'，...，Dzs,;:。
表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考位置點(diǎn)糾的信號(hào)距離，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考位 置點(diǎn)的信號(hào)距離，"/^表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考位置點(diǎn)的信號(hào)距離。
步驟306:從步驟305所得到的m個(gè)距離中選擇最小的一個(gè)信號(hào)距離，記為 ，相應(yīng)的參考位置點(diǎn)記為/^M/V 。
如圖2所示，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A7;的最小信號(hào)距離為Z)/S;，對(duì)應(yīng)的參考位置點(diǎn)為; 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小距離為Z)/《，對(duì)應(yīng)的參考位置點(diǎn)為i P4 。
步驟307:判斷"/S:,的大小，如果Z)/S;"1，說(shuō)明目標(biāo)節(jié)點(diǎn)iV7;就在參考位 置點(diǎn)i ^w的覆蓋范圍內(nèi)，直接采用該參考點(diǎn)i i^J乍為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;定位結(jié)果，即 戶o《'=(x7 ，《'，<)=(xww, jy〃、.,)；否則，執(zhí)行步驟308 。
如圖2所示，Z)/《S1，說(shuō)明目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^就在參考位置點(diǎn)Wg的覆蓋范圍內(nèi)， 直接釆用參考位置點(diǎn)WS的位置信息作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果，即
w=((，o(W5—-5)
>1 ，則定位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^還需繼續(xù)執(zhí)行下面的步驟308。 步驟308:計(jì)算近鄰選擇系數(shù)《。
《=1 + 7^7， /^表示錨節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率。
步驟309:比較步驟305所得到，如果距離D/S,;;小于《x Z)/5^w ，則將該 距離所對(duì)應(yīng)的參考位置點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)iV7;的鄰居。
步驟310:重復(fù)處理步驟309，直到處理完畢所有的m個(gè)距離D/y ， D/《，...， "/《。從而得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的近鄰參考位置表單iVe/g/^o^ ， A^g/^0^={/^'^gV..,WP,'}，其中，r表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;共有r個(gè)滿足條件的近鄰
參考位置點(diǎn)，i^'表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)w7;的第一個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)，i /r表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn) A7;的第二個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)，i /r表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)^7;的第r個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)，也
稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的任意一個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)。這些鄰居節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)距離分別為Dzsr， d/y，…，d/《'
d/s廣表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;的第一個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)i ir的信號(hào)距離，"/《"表示 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)at;的第二個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)i 尸/的信號(hào)距離，D/y表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;的 第^個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)i 尸/的信號(hào)距離，也稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)#7;的任意近鄰參考位置點(diǎn) wi5/的信號(hào)距離。
如圖2所示，針對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)at2所選擇的近鄰參考點(diǎn)位置點(diǎn)有
臉妙6^2={7^4，7 尸5,/ 尸7,7 尸8}，相應(yīng)的距離分別為/)/5>42， D/《，￡>ZS82。
在本發(fā)明中，利用信號(hào)強(qiáng)度加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置處理步驟為
步驟401:計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)AT,,近鄰參考位置點(diǎn)表單A^'g/^o;中任意一個(gè)近鄰參
l
考位置點(diǎn)^尸/的權(quán)值《，《=,'"("《)，lnCD/y)表示對(duì)",.、■," 求以指數(shù)為底的對(duì)數(shù)
函數(shù)，/是求和運(yùn)算過(guò)程中的中間變量，它的取值從i到。則l;^^就得到了所 有量的和。
步驟402:重復(fù)步驟401，直到窮盡目標(biāo)節(jié)點(diǎn)a7;近鄰參考位置點(diǎn)表單A^g/^^
中的所有近鄰參考位置點(diǎn)。
步驟403:根據(jù)步驟402所計(jì)算的權(quán)值和物理位置信息矩陣i^OS,，卜,中目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)W7;近鄰參考位置點(diǎn)表單A^'g/^w;中任意一個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)i C的三維坐標(biāo) (記為(x廠,;;廠,z廣))，使用加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ATp的三維坐標(biāo)
尸< =(x "，即〈.=，《=&廣《,《=I"。
/=1 /=1 /=1
本發(fā)明提出的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法，通過(guò)信 號(hào)強(qiáng)度作為定位參數(shù)，采用近鄰選擇算法以及加權(quán)計(jì)算進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。在保 證了較高的定位精度前提下，直接利用信號(hào)強(qiáng)度向量作為參數(shù)計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的三維坐 標(biāo)，避免了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對(duì)定位精度的影響，整個(gè)算法復(fù)雜度低，便于在計(jì)算能力受限的 傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)、不需要額外設(shè)備，降低了系統(tǒng)的花費(fèi)，減少定位系統(tǒng)部署的復(fù)雜 度的，因此，是一種具有較好普適性的定位方法。
權(quán)利要求
1、一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法，所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一些已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和一些位置未知的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成；利用信號(hào)圖對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位，還會(huì)在傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中選擇一系列的參考位置點(diǎn)；其特征在于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于任意一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NTp，采用如下步驟確定自身位置步驟1利用平均值法建立信號(hào)空間模型，計(jì)算獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣和物理位置信息矩陣；步驟2根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度平均值法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NTp的接收信號(hào)強(qiáng)度向量步驟3利用補(bǔ)償?shù)腒值近鄰法選取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NTp的近鄰參考位置點(diǎn)；步驟4利用信號(hào)強(qiáng)度加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NTp的三維坐標(biāo)
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位 方法，其特征在于所述的利用平均值法建立信號(hào)空間模型，計(jì)算獲得網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間 矩陣和物理位置矩陣的處理步驟為步驟101:布置定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，投放n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)；步驟102:在定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域選取w個(gè)參考位置點(diǎn)，并記錄每個(gè)參考位置點(diǎn)的三 維物理坐標(biāo)；任意一個(gè)參考位置點(diǎn)的三維坐標(biāo)為Aw ,=(、,,少,,,，、,)，構(gòu)建物理位置矩陣，戶叫表示參考位置點(diǎn)^的位置坐標(biāo)(;c,, 乂,；)，尸％表示參考位置點(diǎn)腫2的位置坐標(biāo)(^,少2，22)，尸氣表示參考位置點(diǎn)i^,的位置坐 標(biāo)(&,凡,0 ，也稱為任竟參考位置點(diǎn)化,的位置坐標(biāo)K,，凡,0 ;步驟103:在每一個(gè)參考位置點(diǎn)，測(cè)量并記錄所有錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，并進(jìn)行A 次重復(fù)測(cè)量；步驟104:根據(jù)步驟103得到的信號(hào)強(qiáng)度向量，利用平均值法計(jì)算任意錨節(jié)點(diǎn) iH 在任意參考位置點(diǎn) M，，處的信號(hào)強(qiáng)度 腿 ,— =(《—,,+《— +... +《,— )/& ;步驟105:根據(jù)步驟104所計(jì)算得到的i 5^,—"，形成信號(hào)空間的矩陣—~，-z，匿尸氣」-、，其中表示參考位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)《度向量，i^sf'表示參考位置點(diǎn)i A的信號(hào)強(qiáng)度向量，i &s一表示參考位置點(diǎn)i^處測(cè) 量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度，i^v,，表示參考位置點(diǎn)/ s處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度，^XS,，卜,表示參考位置點(diǎn)i^,,處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的平均 信號(hào)強(qiáng)度，表示參考位置點(diǎn)i 《處測(cè)量計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位 方法，其特征在于所述根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度平均值法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^的i^S;T向量的處理步驟為步驟201:目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域后，讀取所有錨節(jié)點(diǎn)W4,的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，進(jìn)行A:次重復(fù)讀取，得到如下 一 個(gè)信號(hào)強(qiáng)度向量 7 5T， =(M5;v,U1S>5Vv2，...,i 5^7/) ， W5^乂表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)iV7;第一次釆集到的任意錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，i ssOT/2表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)wr,，第二次采集到的任意錨節(jié)點(diǎn) 的信號(hào)強(qiáng)度，M5V,./表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)m;第a次采集到的任意錨節(jié)點(diǎn)旭"的信號(hào)強(qiáng) 度，也表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)a^;任意一次采集到的任意錨節(jié)點(diǎn)a^,的信號(hào)強(qiáng)度，*表示重復(fù) 測(cè)量標(biāo)識(shí)；步驟202:根據(jù)步驟201所得到的信號(hào)強(qiáng)度向量iWS;,n，利用平均值法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)a^;對(duì)任意錨節(jié)點(diǎn)的平均信號(hào)強(qiáng)度W然AV = (^S"w乂 + i S5"OT,, 2 +…+ i S5",;/)";步驟203:根據(jù)步驟202所得到的平均信號(hào)強(qiáng)度兄S"5V",,，獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;的 接收信號(hào)強(qiáng)度向量AS《'-(i^V^i^S^,...,^^,)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位 方法，其特征在于在所述利用補(bǔ)償?shù)摹贾到彿ㄟx取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居參考位置節(jié)點(diǎn) 處理步驟為步驟301:計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)7V7;的信號(hào)強(qiáng)度向量i &S^與任意參考位置點(diǎn)^^,的信 號(hào)強(qiáng)度向量各維的差值的平方A^('" =(7 5;., -i 5"U ;在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;與參考位置點(diǎn)^尸 ,處的所有錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差平方構(gòu)成一個(gè)向 量Ai 5^-"' =(M5^-"',A7 5^2〃-"',…,A7 &S;廠'")；步驟302 :計(jì)算所有的n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度差平方的平均值z(mì)iS^"'=(Ai c'+A柳r"+…+譜s;—"') /";步驟303:將信號(hào)強(qiáng)度差平方向量Ai 5^'—'"中的各維度與AiWS""相差最大的 尸SC個(gè)錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度差平方值用A^F"'替換修正，設(shè)修正后的信號(hào)強(qiáng)度差平方 向量為Ai 5S"' = (M5^r",Ai 5^—"'，…，Ai 5^r"');步驟304:利用修正后的信號(hào)強(qiáng)度差平方向量計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ATp與參考位置點(diǎn)的距離o/s:=(Ai sc"+A腐r"'+…+A腐'r")/";步驟305:重復(fù)步驟301至步驟304，直到窮盡完所有的參考位置點(diǎn)，則得到 了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)iVi;相對(duì)于所有參考位置點(diǎn)的附個(gè)距離Z)/^， D/g，…，D/《;；步驟306:從步驟305所得到的附個(gè)距離中選擇最小的一個(gè)距離為Z)/S:w，相 應(yīng)的參考位置點(diǎn)為i P^，；步驟307:判斷D/g，的大小，如果Z)/S^,w S 1 ，說(shuō)明目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就在參考位置點(diǎn) 的覆蓋范圍內(nèi)，直接采用該參考點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)AT,定位結(jié)果， Po《'=(《7,,,) = (&; , jy,,,、, );否則，執(zhí)行步驟308;步驟308:計(jì)算近鄰選擇系數(shù)《=1 + ^^，《_表示錨節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率；""層步驟309:比較步驟305所得到D/S:，如果距離D/S:小于《x D/S二 ，則將該 距離所對(duì)應(yīng)的參考位置點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;的鄰居；步驟310:重復(fù)處理步驟309，直到處理完畢所有的m個(gè)距離，從而得到目標(biāo) 節(jié)點(diǎn)W7;的近鄰參考位置表單A^'g/7幻；。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信號(hào)強(qiáng)度距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)圖定位方法，其特征在于利用信號(hào)強(qiáng)度加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置處理步驟為步驟401:計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)W7;近鄰參考位置點(diǎn)表單A^g/^o 中任意一個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)i 尸/的權(quán)值《=;步驟402:重復(fù)步驟401，直到窮盡目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^近鄰參考位置點(diǎn)表單臉妙6 中的所有近鄰參考位置點(diǎn)；步驟化3:根據(jù)步驟402所計(jì)算的權(quán)值和物理位置信息矩陣i^aS,，,—3中目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)ATp近鄰參考位置點(diǎn)表單A^'gMo 中任意一個(gè)近鄰參考位置點(diǎn)i C的三維坐標(biāo) (x廣，,，()，使用加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)A^,的三維坐標(biāo)Po《^(《,《'，《7)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)需測(cè)距技術(shù)的信號(hào)圖定位方法，該方法對(duì)于任意一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NT_p第一步利用平均值法建立信號(hào)空間模型，計(jì)算獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信號(hào)空間矩陣和物理位置信息矩陣；第二步根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度平均值法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NT_p的接收信號(hào)強(qiáng)度向量RSS_p^NT；第三步利用補(bǔ)償?shù)腒值近鄰法選取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NT_p的近鄰參考位置點(diǎn)；第四步利用信號(hào)強(qiáng)度加權(quán)法計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NT_p的三維坐標(biāo)Pos_p^NT＝(x_p^NT，y_p^NT，z_p^NT)。本發(fā)明方法直接利用信號(hào)強(qiáng)度作為參數(shù)進(jìn)行定位；無(wú)需參數(shù)轉(zhuǎn)換，消除了轉(zhuǎn)換誤差；并且降低了系統(tǒng)部署的復(fù)雜度；通過(guò)采用近鄰選擇及加權(quán)算法對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行處理，降低了傳感器節(jié)點(diǎn)差異及環(huán)境噪聲等對(duì)定位精度帶來(lái)的影響。
文檔編號(hào)G01S5/02GK101424737SQ20081023957
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者治 喬, 璋 熊, 蘆效峰, 蒲菊華, 巍 魏 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)