一种利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法，包括如下：对至少一个影响信道条件因素进行量化，得到量化函数；确定未知节点所能联通的锚节点的数量m；并结合量化函数，计算每个锚节点的评分；根据两个不同距离锚节点接收到的RSSI值计算得到参数A；选取m个锚节点中评分最高的S个锚节点，并计算S个锚节点彼此之间的第一距离，根据第一距离、参数A计算得到S个第一信道衰减参数n1；对S个锚节点的评分进行归一化处理，并结合S个第一信道衰减参数n1，计算得到第二信道衰减参数n2；利用待定位节点处接收到的锚节点的RSSI值，并根据参数A、第二信道衰减参数n2，计算得到待定位节点与锚节点的第二距离，然后利用传统三边定位法确定待定位节点的坐标，完成定位。位。位。

【技术实现步骤摘要】
一种利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法


[0001]本专利技术涉及无线传感器网络
，更具体的，涉及一种利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法。

技术介绍

[0002]无线传感器网络(WSNs)被称为本世纪极具影响的21项技术之一，属于计算机、通信和数学等多个学科的交叉性前沿领域。它是一种由布置在监测区域内的多个具有一定功能的传感器节点通过数据收集、数据传输等方式所形成的自组织数据处理网络。通过网络中传感器节点的密集部署，可实现数据的收集量化、数据聚合和数据传输操作。无线传感器网络作为一种现代智能网络，已被广泛应用于军事、物联网、环境监测、现代交通(如近两年的共享单车等)、便捷快递、现代医疗、工业、空间探索等多个领域，发展前景十分广阔。在大量无线传感器网络的应用中，收集到的数据若没有对应的位置信息将使得数据失去价值。因此，定位技术是无线传感器网络研究领域的热点之一。
[0003]在无线传感器网络中，定位算法都可以分为顶层的距离估计和底层的位置估计两个阶段。其中顶层的距离估计方法是测距和无测距定位算法的主要差异之处。根据是否需要通过硬件手段直接测量收发机之间的距离，无线传感器网络的定位算法可以分为无测距(Range
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free)和测距(Range
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based)两种类型。无测距定位算法是利用网络的连通性来估计节点之间的距离，根据估计距离的方式不同，主要可以分为分别是基于几何约束(Geographical Constraint Based)、基于跳进(Hop Progress Based)以及基于机器学习(Machine Learning Based)的定位算法。基于测距的定位算法大部分需要在收发机之间安装特定的硬件设备，利用这些硬件，通过接收信号的物理特征来估计收发机之间的距离。
[0004]无测距定位技术通过节点之间的数据包跳数或几何约束来估计节点之间的距离，其定位的硬件成本和功耗小，易于实现。但是定位精度较差，适用于开阔室外环境。相较于无测距定位技术，基于测距的定位算法中未知节点和锚节点之间的距离信息是通过节点之间信号强度，角度，信号到达时间等物理量测量值得到的，距离信息更贴近实际值，因而定位精度更加准确，但是所需硬件成本较高。
[0005]下面介绍一些现存的具有代表性的测距定位方法，如图1所示，是基于测距的节点定位方法；
[0006]在基于测距的定位算法中，AOA(Angle of Arrival)，即到达角定位算法，其基本流程如下：计算得到锚节点1到待定位节点之间连线与基准方向的夹角α1，作出一条射线L1；同样地，计算出锚节点2到待定位节点之间连线与基准方向的夹角α2，可以作出一条射线L2。L1与L2的交点就是待定位节点的位置。AOA定位通过两直线相交确定位置，不可能有多个交点，避免了定位的模糊性。但是为了测量电磁波的入射角度，接收机必须配备方向性强的天线阵列，设备复杂度高。
[0007]TOA(Time Of Arrive)，即到达时间定位算法，其基本流程主要如下：锚节点向待定位节点发送一个带有发送时间戳T1的数据包，待定位节点接收到这一数据包后返回一个
ACK数据包，锚节点接收到待定位节点的ACK数据包，记录下当前时间T2，根据(其中c为光速)求得节点之间的距离，进而确定未知节点的坐标。TOA算法为了一次定位，每个锚节点和待定位节点之间要进行两次通信，这种定位的优势在于其实现的便捷性，只需要有几个摆放在不同位置的锚节点和一个待定位节点便可进行定位。其缺点也较明显：首先是定位速度较低；其次，由于每次通信的质量无法保证，而一对锚节点
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待定位节点又无法做自我的校准，精度会受到影响。
[0008]TDOA(Time Different Of Arrive)，即信号到达时间差算法的测距方式是通过两个不同锚节点接收待定位节点发送数据包的时间差来计算待定位节点和两个锚节点之间的距离差值。利用四个锚节点，就能求得三组这样的距离差，进而确定待定位节点的坐标。相较于TOA定位算法，TDOA的优势首先在于一次定位的通信次数显著减少，其次由于是用时间差而非绝对时间进行测距，其精度也比TOA高出一些。其缺点在于：TDOA系统中各个锚节点的时钟必须严格同步，由于这种定位本质上是依赖于光速的，所以1ns的固有时钟误差便可以造成30cm的固有距离误差，要打造一个节点间距比较大的精确同步系统成本比较高昂。
[0009]RSSI(receive signal strength indicator)，即接收信号强度指示算法依据无线电波或声波在介质中传输，信号功率是随传播距离衰减的原理。根据信标节点已知信号的发射功率和节点接收的信号功率，通过信号与距离之间的衰减模型RSSI＝A
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10n
·
log d(A可以看作信号传输1m远时接收信号的功率，n是反映信道条件的环境衰减因子，d是节点之间的距离)，就可以计算出节点间的距离。与TOA和TDOA测距方式相比，RSSI定位算法对时间系统的要求不高，且不受发送延迟、天线延迟等因素的影响，无需额外的硬件即可利用对接收无线信号的强度判断来推到收发节点间的距离。因此硬件成本、软件成本以及时间成本都相对较低；同时，RSSI是蓝牙协议栈的一部分，发射端硬件设计简单，功耗低，RSSI信号方便获取。RSSI定位算法的缺点在于定位精度受环境因素的影响较大。其测距精度受障碍物、天气、非测距信号等诸多因素的影响。举例来说，若收发双方存在障碍物(特别是金属障碍物)时，电磁波的能量会被衰减，同时无线信道多径衰落也会造成的信号能量不稳定导致距离计算误差较大，进而影响定位精度。
[0010]基于测距的定位算法所使用的物理量是RSSI，信号与距离之间的衰减模型
[0011]RSSI＝A
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10n
·
log d
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(1)
[0012]是一个经验公式，其中的参数A和参数n分别是反映节点发射功率和信道条件的经验参数，当经验参数不能较好地反映实际的信道情况时，根据该公式计算出来的距离数据误差就会增大，从而影响定位精度。传统的RSSI定位法的定位误差主要在计算节点间距离时，在较大区域内选取同一经验参数n进行距离计算，没有考虑以下因素对信道条件的影响。
[0013](1)节点与墙体的距离
[0014]节点与墙体之间的距离越近，接收信号受到多径效应的影响就越严重。多径效应是指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。比如电磁波沿不同的两条路径传播，而两条路径的长度正好相差半个波长，那么两路信号到达终点时正好相互抵消了(波峰与波谷重
合)。以图2为例，其中传播路径1是指节点1发射的信号直接到达节点2，不经过反射；传播路径2是指节点1发射的电磁波传播时遇到墙体发生反射后到达节点2。无线信号在传播过程中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述的方法包括如下：对至少一个影响信道条件因素进行量化，得到对应的量化函数；确定未知节点所能联通的锚节点的数量m；并结合相应的量化函数，计算每个锚节点的评分；根据两个不同距离锚节点接收到的RSSI值计算得到参数A，其中参数A表示节点发射功率；选取m个锚节点中评分最高的S个锚节点，并计算S个锚节点彼此之间的第一距离，根据所述的第一距离、参数A计算得到S个第一信道衰减参数n1；其中0<S≤m；对所述的S个锚节点的评分进行归一化处理，并结合S个第一信道衰减参数n1，计算得到第二信道衰减参数n2；利用待定位节点处接收到的锚节点的RSSI值，并根据所述的参数A、第二信道衰减参数n2，计算得到待定位节点与锚节点的第二距离；根据所述的第二距离，利用传统三边定位法确定待定位节点的坐标，完成定位。2.根据权利要求1所述的利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述的影响信道条件因素包括节点与墙体的距离、节点附近的阻挡物、节点之间的距离、节点密集程度几种中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述的节点与墙体的距离的量化函数如下：式中，(x,y)表示锚节点的坐标；x
m
表示定位区域的横最大长度，y
m
表示定位区域的纵最大长度。4.根据权利要求2所述的利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述的节点附近的阻挡物的量化函数如下：式中，k表示待评价锚节点能联通的邻近锚节点个数；n
i
表示待评价锚节点和第i个邻近锚节点之间的信道衰减参数n值；μ(n
i
)表示k个n值的平均值。5.根据权利要求2所述的利用模糊决策的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：所述的节点之间的距离的量化函数如下：式中，RSSI(d
x
)为待定位节点处接收到锚节点的RSSI值；RSSI(d
m
)为两个节点在距离为10m时的RSSI值；RSSI(d0)为两个节点在距离为1m时的RSSI值。6.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星成，林浩，李玉婷，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：