無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究方案和實(shí)現(xiàn)-文庫(kù)吧
2025-04-25 12:07 本頁(yè)面
【正文】 法有質(zhì)心算法，DVHop算法，APIT定位算法。質(zhì)心算法的原理是通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的連通關(guān)系來(lái)佔(zhàn)算連通節(jié)點(diǎn)問(wèn)的距離，從而進(jìn)一步利用連通節(jié)點(diǎn)組成的兒何圖形質(zhì)心來(lái)估算H標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。DVHop算法能夠通過(guò)多跳傳輸獲取到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無(wú)線覆蓋范圍之外的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，從而獲取到更多的有用信息。APIT定位算法是將錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)三角形區(qū)域，通過(guò)判斷未知節(jié)點(diǎn)位于哪些三角形區(qū)域內(nèi)，進(jìn)一步縮小定位范圍。利用描節(jié)點(diǎn)本身的坐標(biāo)即可進(jìn)一步得出目標(biāo)點(diǎn)的位置。目前常用的測(cè)距方式有接收信號(hào)強(qiáng)度、紅外線、超聲波以及GPS，這四種測(cè)距方式的性格比較如表21所示：表21 常用測(cè)距方式的比較測(cè)試方式RSSI紅外線超聲波GPS額外硬件無(wú)有有有硬件成本低低高高測(cè)距誤差0~3m0~5m0~10cm0~10m由表21可以得知，除RSSI外的其他三種測(cè)距方法，都需要節(jié)點(diǎn)安裝相應(yīng)固件，提高了本身的體積和價(jià)格；GPS技術(shù)有其局限性，更適用于戶外定位，小范圍的定位并不可靠；紅外線技術(shù)的測(cè)距精度比較低，而超聲波的測(cè)距成本較高；基于RSSI的測(cè)距技術(shù)則被廣泛應(yīng)用，并且市場(chǎng)是大多數(shù)節(jié)點(diǎn)本身就可以完成對(duì)RSSI的獲取，易于實(shí)現(xiàn)，因此基于RSSI的測(cè)距技術(shù)是WSN中最常用的技術(shù)。 RSSI定位算法RSSI定位算法是已知節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收到的該信號(hào)的強(qiáng)度，并計(jì)算傳播過(guò)程中的損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播衰減模型將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。比較典型的應(yīng)用如RADAR、SpotON。雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中RSSl定位方法表現(xiàn)出良好的特性。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于反射、多徑傳播、NLOS和天線增益等問(wèn)題都會(huì)產(chǎn)生顯著的傳播損耗和較大的誤差，因此RSSI技術(shù)定位誤差較大[1]。基于 RSSI 的定位算法利用信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰減模型來(lái)計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后利用所測(cè)量的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自帶 RSSI 指示的功能，定位算法不會(huì)增加硬件消耗，應(yīng)用成本比較低，因而得到廣泛的應(yīng)用。圖 基于 RSSI 的定位算法原理示意圖如圖 所示，無(wú)線傳感器已知三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，U表示未知節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置信息，U’表示通過(guò)RSSI測(cè)量計(jì)算出來(lái)的位置信息。通常情況下，錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號(hào)傳輸?shù)轿粗?jié)點(diǎn)的過(guò)程中，會(huì)受到環(huán)境和多路徑的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生衰減現(xiàn)象，未知節(jié)點(diǎn)收到的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)受到一定的影響。這種信號(hào)衰減會(huì)存在一定的規(guī)律性，通過(guò)測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)強(qiáng)度能夠估算錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。信號(hào)的衰減模型表示如下： （21）其中n表示環(huán)境因子，它是隨著未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間距離的增加而路徑損耗的指數(shù)，一般取值范圍為24之間。本公式的計(jì)算單位為dB，PL(d)表示距離錨節(jié)點(diǎn)d處接收到的信號(hào)的功率；PL(d0)表示一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，d0表示一個(gè)參考距離，即距離為d0接收到的信號(hào)功率。ζ表示與傳播距離無(wú)關(guān)的高斯噪音，通常稱(chēng)之為遮蔽因子。在環(huán)境因子和遮蔽因子已知的前提下，通過(guò)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)接收功率的測(cè)量及其兩點(diǎn)之間的距離計(jì)算，其RSSI ：圖 RSSI 信號(hào)傳輸模型示意圖 由于不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的應(yīng)用環(huán)境的不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境因子和干擾因子也不盡相同。上述提到的RSSI 測(cè)量中環(huán)境因子的經(jīng)驗(yàn)值變化范圍多在 24 之間，是綜合室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境的平均范圍。室內(nèi)環(huán)境因子的經(jīng)驗(yàn)值在 之間。：圖 環(huán)境因子與功率之間的關(guān)系圖基于TOA的定位算法是一種利用測(cè)量來(lái)自錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行定位的一種算法。首先錨節(jié)點(diǎn)將發(fā)送時(shí)間設(shè)置在廣播信號(hào)中，并發(fā)送廣播信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號(hào)并確定信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，最終通過(guò)發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間來(lái)計(jì)算信號(hào)傳播的時(shí)間，然后在利用信號(hào)傳播速度來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，最后利用三邊測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。TOA方法定位精度相對(duì)較高、但是需要錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間保持嚴(yán)格的時(shí)間同步，這對(duì)于硬件系統(tǒng)的要求比較高，因此對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的成本要求較高[4]。： 圖 基于 TOA 的定位算法原理示意圖此外，從二維平面角度來(lái)研究節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間定位算法需要至少在通訊半徑之內(nèi)的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。：圖 在二維平面的 TOA 定位原理示意圖其中r表示未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離，而t表示信號(hào)從錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。C表示無(wú)線信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度，C是常數(shù)。設(shè)A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)為三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為 P(x，y)。測(cè)量的距離可以表示為如下： （22）將上三條公切弦屮任意兩條組合求交點(diǎn)，即可得到待測(cè)點(diǎn)P的估計(jì)坐標(biāo)?；赥DOA的定位算法是一種基于測(cè)量錨節(jié)點(diǎn)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置的定位算法。在該算法中，錨節(jié)點(diǎn)首先設(shè)置兩種不同頻率的無(wú)線信號(hào)，然后同時(shí)廣播出去。由于這兩種信號(hào)在傳輸過(guò)程中的速度不一樣，因此到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間也不相同，可以根據(jù)這種時(shí)間差來(lái)計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離，通過(guò)三邊測(cè)量法來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息?；?TDOA的定位算法最大的特點(diǎn)是定位的精度高、誤差小。但同時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣赡苡行Фㄎ坏木取?圖 TDOA 原理圖（一）基于TDOA的定位算法與TOA方法相似，但是該算法有兩種方式進(jìn)行定位計(jì)算，第一種就是采用發(fā)送兩種無(wú)線信號(hào)，并利用未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位，常用的無(wú)線信號(hào)包括無(wú)線電波和超聲波。這種方法的最大支出在于需要在節(jié)點(diǎn)中增加接受兩種信號(hào)的接收裝置，從而會(huì)增加傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，相應(yīng)的制作成本也會(huì)隨之增加。該算法的原理如圖所示，錨節(jié)點(diǎn)a在 To時(shí)刻發(fā)送無(wú)線電波，未知節(jié)點(diǎn)b在T1時(shí)刻接收到a發(fā)送的無(wú)線電波。錨節(jié)點(diǎn)a在T2時(shí)刻發(fā)送超聲波，未知節(jié)點(diǎn)b在T3時(shí)刻接收到a發(fā)送的超聲波信號(hào)。通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)a的發(fā)送時(shí)間To、未知節(jié)點(diǎn)b接收時(shí)間T錨節(jié)點(diǎn)a的發(fā)送時(shí)間T2和未知節(jié)點(diǎn)b接收時(shí)間 T3 以無(wú)線電信號(hào)的傳播速度VRF和超聲波的傳播速度VUS就可以計(jì)算出錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。另外一種測(cè)量方式就是測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的無(wú)線信號(hào)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位計(jì)算。與第一種方式最大的不同在于這種方式只需要發(fā)送一種無(wú)線信號(hào)，對(duì)于硬件成本有所降低。最大的缺點(diǎn)在于要求錨節(jié)點(diǎn)時(shí)間的同步性。：圖 TDOA 原理圖（二），r12表示錨節(jié)點(diǎn)1到未知節(jié)點(diǎn)的距離減去錨節(jié)點(diǎn)2到未知節(jié)點(diǎn)的距離。r23表示錨節(jié)點(diǎn)2到未知節(jié)點(diǎn)的
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