無線定位系統(tǒng)中最佳基站布設(shè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線定位系統(tǒng)中最佳基站布設(shè)方法，屬于通信定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，對(duì)人類社 會(huì)的生產(chǎn)，生活方式產(chǎn)生重大影響的一項(xiàng)重要技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是21世紀(jì)最具影響的 二十一項(xiàng)技術(shù)之一，是對(duì)未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)。2006年，我國發(fā)布的〈〈國 家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中也將傳感器技術(shù)列為信息技術(shù)的三個(gè)前沿方向之 〇
[0003] 作為一項(xiàng)全新的信息獲取和處理技術(shù)，WSNs在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛的研究與關(guān) 注。目前WSNs在環(huán)境監(jiān)測，目標(biāo)跟蹤，智能交通，入侵監(jiān)測等定位相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在上 述應(yīng)用中，目標(biāo)的位置信息對(duì)數(shù)據(jù)獲取至關(guān)重要。因此，定位功能是WSNs應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù) 之一。由于在功耗和器件復(fù)雜性上的限制，無線傳感器的測量精度往往不是很高。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)上發(fā)展的定位技術(shù)由于其網(wǎng)絡(luò)器件本身的性質(zhì)限制了其應(yīng)用。因此，在無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中定位精度是制約其應(yīng)用的一個(gè)瓶頸性難題，至今未見突破性進(jìn)展。
[0004] 我們都知道，無線傳感器定位系統(tǒng)的定位性能主要取決于下面幾個(gè)要素:正確的 測量參數(shù)估計(jì)（如接收時(shí)間，接收信號(hào)能量，接收角度等），定位算法選擇，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和基站 之間的幾何關(guān)系。也就是說，對(duì)于給定的WSNs，定位性能僅僅跟定位方法選擇和基站布設(shè)有 關(guān)。因此，新的基站布設(shè)算法和技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位性能，進(jìn)一步拓寬其 應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。
[0005] 目前國內(nèi)外的許多專家學(xué)者開展了針對(duì)定位系統(tǒng)基站布設(shè)的算法研究。對(duì)于單個(gè) 的定位點(diǎn)下，B.Yang主要研究了通過最小化克拉美羅界(CRB)來設(shè)計(jì)基站位置，并且獲得了 在無限制條件下，基站布設(shè)的充分必要條件。對(duì)于給定的單個(gè)點(diǎn)，均勾角度陣列（uniform angular array UAA)模式是最優(yōu)的基站布設(shè)。隨后，他又討論比較了不同的基站設(shè)置方法， 如最大化Fi sher信息矩陣，最小化CRLB等。對(duì)于給定定位區(qū)域的條件下，N. Sa lman給出了在 矩形定位區(qū)域下，通過最小化CRB均值得到的3,4,5基站下的位置布設(shè)結(jié)果。A.Bais研究了 通過最大化信號(hào)收斂區(qū)域和最小化定位錯(cuò)誤準(zhǔn)則下的基站布設(shè)問題。F Benbadis比較了在 多跳定位系統(tǒng)下，基站均勻分布和基站隨機(jī)分布下的位置估計(jì)結(jié)果。針對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是軌跡 的情況下，I Sharp以幾何淡化因子(GD0P)作為基站布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，分析了中短距離室外和室內(nèi) 定位系統(tǒng)下，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在特殊軌跡情況下的基站布設(shè)問題。
[0006] 通過進(jìn)一步文獻(xiàn)資料的閱讀，我們發(fā)現(xiàn)目前的基站布設(shè)研究主要還是以單個(gè)點(diǎn)和 定位區(qū)域?yàn)檠芯勘尘啊?duì)于在節(jié)點(diǎn)是軌跡的情況下，基站布設(shè)算法研究相當(dāng)匱乏。因此，本 發(fā)明研究的重點(diǎn)將放在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在軌跡情形下，WSN中基站如何布設(shè)?？紤]到隨著WSN技術(shù) 的發(fā)展，WSN定位將會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。比如在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)軌跡下，不同的軌跡分段區(qū) 間可能會(huì)對(duì)應(yīng)著不同的定位要求。因此，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在不同的軌跡分段區(qū)間會(huì)有不同的定位 要求?；静荚O(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)該對(duì)于高定位要求的軌跡分段區(qū)間應(yīng)該有高的權(quán)重。因此，在無線傳 感網(wǎng)定位系統(tǒng)中，根據(jù)目標(biāo)在軌跡分段區(qū)間的不同的定位要求，將理論的基站布設(shè)方法和 解決實(shí)際應(yīng)用問題相結(jié)合，獲得經(jīng)濟(jì)高效的定位服務(wù)，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，但通過 基站布設(shè)算法研究來提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位性能，進(jìn)而拓寬傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域不 失為一條可行之路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種無線定位系統(tǒng)中最佳基站布 設(shè)方法，該方法根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站布設(shè)最優(yōu)化求解的實(shí)際問題，提出用TFBCSS法和 網(wǎng)格搜索法求解最優(yōu)化模型，從而保證基站布設(shè)最優(yōu)結(jié)果的有效性，可靠性。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種無線定位系統(tǒng)中最佳基站布設(shè) 方法，該方法包括如下步驟：
[0009] 步驟1:建立基于多目標(biāo)的基站布設(shè)最優(yōu)化模型；
[0010]步驟2:不同軌跡段對(duì)精度要求的不同，根據(jù)優(yōu)先級(jí)參數(shù)將上述基于多目標(biāo)的基站 布設(shè)最優(yōu)化模型進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為基于字典分層規(guī)劃的基站布設(shè)最優(yōu)化模型；
[0011] 步驟3:運(yùn)用寬容完全分層序列法和網(wǎng)格搜索法求出最優(yōu)解，從而得到最佳基站布 設(shè)；
[0012] 步驟4:對(duì)基站布設(shè)結(jié)果進(jìn)行分析比較，建立無線傳感器定位系統(tǒng)基站布設(shè)的評(píng)價(jià) 體系。
[0013] 進(jìn)一步的，本發(fā)明步驟1所述的建立基于多目標(biāo)的基站布設(shè)最優(yōu)化模型包括：
[0014]步驟1-1:用(Xi，yi)表示第i個(gè)基站的坐標(biāo)位置，其中i 1，2，···，n，將(X，Y)作為最 優(yōu)化模型的決策變量：
[0015]
[0016] 步驟1-2:預(yù)定義移動(dòng)臺(tái)在每段軌跡上接收到Ν個(gè)基站信號(hào)，從而得出最優(yōu)化模型 的可行域D(X，Y):
[0017] ?ι />0 -
[0018] ' -1 a ,、，.（ am，bm)表不弟m
[0 /<0 個(gè)移動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)位置，R為基站的覆蓋半徑，N為基站總數(shù)。
[0019] 步驟1-3:用fj(xi，yi，X2，y2, . . .，xn，yn)表示移動(dòng)臺(tái)位置點(diǎn)在第j段軌跡上的平均 幾何精度因子，其中，j 1，2，...，L，將平均幾何精度因子作為標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建最優(yōu)化模型的目 標(biāo)函數(shù)G(X，Y)，即：
[0020]
[0021] 進(jìn)一步的，本發(fā)明步驟2所述的優(yōu)先級(jí)參數(shù)是根據(jù)不同軌跡段對(duì)精度的不同要求 而預(yù)定義，將基于多目標(biāo)的基站布設(shè)最優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為基于LSP的基站布設(shè)最優(yōu)化模型，包 括：
[0022] 假定移動(dòng)臺(tái)軌跡有k種不同的定位精度要求，則L個(gè)目標(biāo)函數(shù)可表示為：
[0023] /；*(X,(χ,γ); ?[2(χ, (χ,y);(χ,γ),(χ,y);
[0024] L1+L2+. . . +Lk = L
[0025] 在約束條件下的分層多目標(biāo)極小化問題表示為：
[0026]
[0027]其中，Ps(s = l，2…k)是優(yōu)先層次的符號(hào)，表示后面括號(hào)中的目標(biāo)函數(shù)屬于第s優(yōu) 先層次，并且滿足?3>>匕+1，8 = 1，一1^，符號(hào)">>"表示第8優(yōu)先層次優(yōu)先于第(8+1)優(yōu)先層 次，是定性概念，并非數(shù)量關(guān)系。符號(hào)"L-min"表示按字典序極小化，即依次按Pi，…P k的順序 逐層地先后極小化，€(1，〇 = (/卩(1，5^··/^^))?
[0028]進(jìn)一步的，本發(fā)明步驟3所述的運(yùn)用TFBCSS法和網(wǎng)格搜索法求出最優(yōu)解過程，包 括：
[0029] 步驟3-1:確定初始可行域；
[0030] D1(X,Y)=D(X,Y),s = l
[0031] 步驟3-2:在同一優(yōu)先層中，通過線性加權(quán)和法將匕0八)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)最優(yōu)化函 數(shù)，因此LSP模型中不同優(yōu)先層的單目標(biāo)最優(yōu)化函數(shù)Q S(X，Y)定義為：
[0032]
[0033] 其中Wi(i = l，...Ls)為目標(biāo)函數(shù)fis(X，Y)的權(quán)重。
[0034] 步驟3-3:按字典順序極小化；
[0035] (^1!^ Y)
[0036] 利用網(wǎng)格搜索法可求得目標(biāo)函數(shù)QS(XS，YS)的最優(yōu)解(XS，Y S)和最優(yōu)值。
[0037]步驟3-4:檢驗(yàn)分層數(shù)；
[0038]當(dāng)s = k時(shí)，輸出(X，Y) = (Xs，Ys)，當(dāng)s〈k時(shí)，轉(zhuǎn)步驟3-5 [0039]步驟3-5:建立下一層次的可行域(即加以寬容）
[0040] Ds+1= {(X,Y) eDs I QS(X,Y) < QS(XS ,Ys)+5k}
[0041 ]其中是寬容因子。
[0042] 令s = s+l，轉(zhuǎn)步驟3-3。
[0043] 有益效果：
[0044] 1.本發(fā)明根據(jù)目標(biāo)軌跡不同分段區(qū)間上的定位服務(wù)/精度要求，從理論上建立基 于多目標(biāo)的基站布設(shè)最優(yōu)化模型。
[0045] 2.本發(fā)明從理論的多目標(biāo)基站布設(shè)最優(yōu)化模型出發(fā)，設(shè)計(jì)基于實(shí)際應(yīng)用場景的基 站布設(shè)最優(yōu)化實(shí)際模型。
[0046] 3.本發(fā)明根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站布設(shè)最優(yōu)化求解的實(shí)際問題，提出用TFBCSS法 和網(wǎng)格搜索法求解最優(yōu)化模型，從而保證基站布設(shè)最優(yōu)結(jié)果的有效性，可靠性。
[0047] 4.本發(fā)明在實(shí)際基站布設(shè)應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，對(duì)基站布設(shè)結(jié)果進(jìn)行分析比較，從 而建立無線傳感器定位系統(tǒng)基站布設(shè)的評(píng)價(jià)體系。
【附圖說明】
[0048]圖1是本發(fā)明基站布設(shè)方法的總體框架圖。
[0049 ]圖2是本發(fā)明仿真區(qū)域和移動(dòng)臺(tái)軌跡圖。
[0050]圖3是本發(fā)明基站覆蓋范圍圖。
[0051 ]圖4是本發(fā)明基站布設(shè)算法與另外兩種算法的GD0P對(duì)比示意圖。
[0052] 圖5是本發(fā)明不同精度要求對(duì)基站覆蓋范圍的影響示意圖。
[0053] 圖6是本發(fā)明不同精度要求對(duì)GD0P的影響示意圖。
[0054] 圖7是本發(fā)明容限因子對(duì)基站覆蓋范圍的影響示意圖。
[0055] 圖8是本發(fā)明容限因子對(duì)GD0P的影響示意圖。
[0056]圖9是本發(fā)明目標(biāo)軌跡采樣間隔對(duì)基站覆蓋范圍的影響示意圖。
[0057]圖10是本發(fā)明定位區(qū)域采樣間隔對(duì)基站覆蓋范圍的影響示意圖。
[0058]圖11是本發(fā)明定位區(qū)域采樣間隔對(duì)GD0P的影響示意圖。
[0059]圖12是本發(fā)明不同基站布設(shè)方法均方根誤差(RMSE)的對(duì)比示意圖。
[0060]圖13是本發(fā)明不同基站布設(shè)方法平均RMSE的對(duì)比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0062] 如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下：
[0063] 1.從理論上建立基于多目標(biāo)的基站布設(shè)最優(yōu)化模型
[0064] (1)模型變量:根據(jù)本發(fā)明需要解決的實(shí)際問題，將模型變量定義為需要優(yōu)化的基 站位置，用( Xl，yi)表示第i個(gè)基站的坐標(biāo)位置，其中1 = 1，2，...，11將0，￥)作為基于多目標(biāo) 的基站布設(shè)最優(yōu)化模型的決策變量：
[0065] Jr = (x15x2,...xn), i" = (yi，y2,-y")
[0066] (2)可行域:與傳統(tǒng)的基站布設(shè)優(yōu)化問題不一樣，我們并沒有把整個(gè)給定區(qū)域都作 為最優(yōu)化求解的可行域。本發(fā)明將可行域限制在能夠覆蓋定位范圍的所有可能基站坐標(biāo)的 集合。也就是說，基站只能布設(shè)在給定區(qū)域的某些特定的位置上，它必須能夠覆蓋整個(gè)定位 范圍，用D(X，Y)表示可行域：
[0067] ?? />0 _
[0068] ⑴=彳,、，、，（am，bm)表不第m個(gè) (.()/.<0 移動(dòng)臺(tái)的坐標(biāo)位置，m=l，2,. . .M，R為基站的覆蓋半徑，N為基站總數(shù)。
[0069] (3)目標(biāo)函數(shù)：用;^(11，71，12,72，...，111，711)表示移