林華杰,莫應(yīng)強(qiáng)

(1.西北工業(yè)大學(xué),陜西西安710072;

2.貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司,貴州貴陽563319)

0 引言

文獻(xiàn)[1]中提出了一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)——移動代理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(SENMA)模型。該網(wǎng)絡(luò)模型不僅與一般的WSN相比有著許多優(yōu)點(diǎn),特別是具有先天的節(jié)能優(yōu)勢,而且針對在戰(zhàn)場或其他惡劣環(huán)境中進(jìn)行信息采集有著實(shí)際應(yīng)用意義。

在移動代理傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位需要采用基于距離的定位算法,而且依據(jù)該網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)基于RSSI測距較為可行。一般基于RSSI測距定位方法首先通過測量接收信號強(qiáng)度,根據(jù)兩點(diǎn)間信號傳輸衰減程度來判斷兩點(diǎn)間距離;然后再依據(jù)所獲得的足夠多的錨節(jié)點(diǎn)位置信息計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置(二維、三維空間分別需要3個(gè)以上、4個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)信息)。

通過分析信道RSSI特點(diǎn),給出了一種適用于SENMA網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)質(zhì)心定位算法,并通過仿真進(jìn)行了算法驗(yàn)證,其性能優(yōu)于極大似然估計(jì)。

1 SENMA網(wǎng)絡(luò)

SENMA由一般傳感器節(jié)點(diǎn)和移動代理節(jié)點(diǎn)組成。一般傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集信息和被動傳輸信息,其具有較低的能量和有限的處理能力、通信能力,它們可以通過飛機(jī)播撒或者其他途徑隨機(jī)分布在一定的地域中,例如戰(zhàn)場或其他惡劣環(huán)境中。移動代理節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的通信能力和數(shù)據(jù)處理能力,而且能夠在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動,使其通信范圍覆蓋整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。例如可以位于有人或無人駕駛的飛機(jī)上。這些移動代理與衛(wèi)星(或其他固定中繼基站)之間存在高速率數(shù)據(jù)連接,可以及時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端控制中心。移動代理節(jié)點(diǎn)不需要一直出現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域上方,在需要收集數(shù)據(jù)或者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)它們才開始活動。移動代理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位模型如圖1所示。

圖1 移動代理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位模型

SENMA網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn):

①在普通傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)間的信息沿地表傳播,信號衰落與距離的 4次方成正比;而在SENMA網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)之間基本不通信,而傳感器節(jié)點(diǎn)與移動代理通信,信號在自由空間中傳播,根據(jù)信號衰落與傳輸距離關(guān)系可知,自由空間中信號的衰落與距離的2次方成正比,從而信道傳輸環(huán)境優(yōu)于普通傳感器網(wǎng)絡(luò);

②SENMA是單跳網(wǎng)絡(luò),信息處理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)由移動代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行,不需要維護(hù)路由信息和相鄰節(jié)點(diǎn)信息,因而花費(fèi)在控制上的能量開銷要少;

③SENMA中不需要傳感器節(jié)點(diǎn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),接收信息的消耗能量很少;

④傳感器節(jié)點(diǎn)是能量受限的,但移動節(jié)點(diǎn)能量可以補(bǔ)充。

SENMA網(wǎng)絡(luò)把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、接入處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸和路由維護(hù)等工作由移動代理節(jié)點(diǎn)來完成,減輕傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)擔(dān),從而SENMA的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有先天的節(jié)能優(yōu)勢,具有更長的生存時(shí)間。

SENMA網(wǎng)絡(luò)中,一般傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集信息和被動傳輸信息,彼此之間幾乎不進(jìn)行通信。與此同時(shí)移動代理節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的錨節(jié)點(diǎn),在移動中時(shí)時(shí)發(fā)送當(dāng)前時(shí)刻自身位置信息,傳感器節(jié)點(diǎn)可以在接收當(dāng)前時(shí)刻移動代理節(jié)點(diǎn)位置信息的同時(shí),采用測距技術(shù)測距,若記錄了足夠多的移動代理節(jié)點(diǎn)位置信息和距離信息后即可估算節(jié)點(diǎn)自身位置信息。

目前主要測距方法包括TOA、TDOA和RSSI等。TOA技術(shù)需要精準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步,TDOA技術(shù)需要節(jié)點(diǎn)具有超聲波發(fā)射和接收設(shè)備,并且測距范圍有限。移動代理在高空飛行,一般可以認(rèn)為與一般傳感器節(jié)點(diǎn)間屬視距通信,因此研究了基于RSSI測距的SENMA網(wǎng)絡(luò)定位算法。

2 SENMA網(wǎng)絡(luò)定位算法

2.1 SENMA網(wǎng)絡(luò)定位模型

如圖1所示,可以近似認(rèn)為傳感器節(jié)點(diǎn)位于同一平面,并假設(shè)該平面與水平面平行。如果在ti時(shí)刻接收到移動代理節(jié)點(diǎn)位置信息(Xi,Yi,Hi),并測得當(dāng)前時(shí)刻移動代理節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)A的距離Ri,設(shè)移動代理節(jié)點(diǎn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)所在平面的投影為O(Xi,Yi),則OA之間的距離為:

任務(wù)是由(Xi,Yi,li)估測節(jié)點(diǎn)A的二維坐標(biāo)(x,y)。

2.2 RSSI信道模型

RSSI定位是通過測量接收信號強(qiáng)度,根據(jù)兩點(diǎn)間信號強(qiáng)度判斷兩點(diǎn)間距離。無線信號在傳播路徑中都會產(chǎn)生信號的衰減,信號接收的強(qiáng)度受到影響,實(shí)際測量值也會因?yàn)榄h(huán)境的不同而不同。通過大量的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)歸納“距離-損耗”模型一般形式為:

式中,p為傳感器節(jié)點(diǎn)接收到由移動代理節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號的接收功率,單位dB;R0為參考距離,單位為m;p0表示距離為R0時(shí)的接收信號強(qiáng)度,單位為dB;R為移動代理節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離;v為移動代理節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速度;X為與傳播距離無關(guān)的隨機(jī)變量,通?？梢哉J(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的正態(tài)隨機(jī)變量;n為路徑損耗系數(shù)即環(huán)境因子。

實(shí)際上,由于多徑、繞射和障礙物等因素,無線電傳播路徑損耗與理論值相比有很大變化。節(jié)點(diǎn)到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越小,反之,產(chǎn)生的絕對距離誤差越大。

在X和環(huán)境因子已知時(shí),通過對接收功率的測量可以計(jì)算出不同時(shí)刻移動代理節(jié)點(diǎn)與未知定位節(jié)點(diǎn)之間的距離R1、R2、R3。理論上通過接收3個(gè)(二維空間)已知空間節(jié)點(diǎn)的RSSI信息就可用三邊測量法決定一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置。但實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,因?yàn)镽SSI值含有隨機(jī)分量,無法精確計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置,所以只能采用質(zhì)心法或極大似然估計(jì)法。

3 加權(quán)質(zhì)心定位算法

當(dāng)一個(gè)待定位傳感器節(jié)點(diǎn)A收到不同時(shí)刻移動代理節(jié)點(diǎn)的位置信息,并根據(jù)RSSI值確定與空間O、P、Q點(diǎn)距離可以得到l1=LAO、l2=LAP、l3=LAQ。

如圖2所示,由于測距誤差,ΔOPQ可能出現(xiàn)以下3種情況:

圖2 空間節(jié)點(diǎn)示意圖

如圖2(a)所示,圓O與圓P相切,則相切點(diǎn)為A點(diǎn)第1個(gè)近似位置(x1,y1);

如圖2(b)所示,圓O與圓P相交,2個(gè)交點(diǎn)為A點(diǎn)可能位置A1點(diǎn)和A2點(diǎn),計(jì)算|LAO-LA1O|和|LAO-LA2O|,二者小者為A點(diǎn)第1個(gè)近似位置(x1,y1);

如圖2(c)所示,圓O與圓P相離,直線OP與圓O、圓P相交于B點(diǎn)、C點(diǎn),B點(diǎn)、C點(diǎn)中心為A點(diǎn)第1個(gè)近似位置(x1,y1)。

同理在ΔPQO、ΔQOP中得到A的第2個(gè)、第3個(gè)近似位置(x2,y2)、(x3,y3)。計(jì)算點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)的質(zhì)心作為A點(diǎn)估測值。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A收到m個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號時(shí),可以構(gòu)成C3m個(gè)三角形,每個(gè)三角形可產(chǎn)生一個(gè)近似的待測傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)置位。再次利用質(zhì)心算法即可求出節(jié)點(diǎn)A的最終位置坐標(biāo)。

前文已經(jīng)指出由于多徑、繞射和障礙物等因素,無線電傳播路徑損耗與理論值相比有很大變化。而且隨著傳感器節(jié)點(diǎn)與移動代理節(jié)點(diǎn)(其投影)的距離越遠(yuǎn)產(chǎn)生的絕對距離誤差越大。由RSSI測距誤差會嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)定位精度,為此設(shè)計(jì)了加權(quán)質(zhì)心算法:

①移動代理節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送自身位置信息,運(yùn)動速度等信息;

②傳感器節(jié)點(diǎn)在收到信息后,記錄移動代理節(jié)點(diǎn)投影位置信息,測定RSSI,依據(jù)測定RSSI值計(jì)算自身節(jié)點(diǎn)與觀測點(diǎn)投影之間的距離(式(1)、式(2));

③傳感器節(jié)點(diǎn)在收到超過閾值m個(gè)信標(biāo)信息后,對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)依RSSI值從大到小排序。采用RSSI值小的前n個(gè)移動代理節(jié)點(diǎn)投影位置信息進(jìn)行定位計(jì)算;

④由n個(gè)觀測點(diǎn)投影構(gòu)成C3n個(gè)三角形,若取n=4,這些三角形頂點(diǎn)距待測點(diǎn)A的距離為:(l1、l2、l3)、(l2、l3、l4)、(l3、l4、l1)、(l4、l1、l2),計(jì)算出與之相對應(yīng)的n個(gè)可能位置:(Ax1,Ay1)、(Ax2,Ay2)、……;

⑤對n個(gè)可能位置加權(quán)求質(zhì)心得到位置信息。n=4加權(quán)求質(zhì)心為式(3)、式(4)、式(5),n＞4可依此類推。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

利用Matlab編程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。移動代理節(jié)點(diǎn)距離傳感器網(wǎng)絡(luò)平面為150 m,有效通信距離為150～250 m。RSSI與距離的關(guān)系由式(2)決定。因?yàn)橐苿哟頍o線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作與室外環(huán)境,路徑損耗較自由空間大,式(2)中的衰減因子n設(shè)為3.2,高斯分布隨機(jī)變數(shù)X的標(biāo)準(zhǔn)方差取為4。為方便計(jì)算取R0=1 m。傳感區(qū)域?yàn)?00 m×400 m,移動代理節(jié)點(diǎn)均勻地通過傳感區(qū)域,v=25,傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為50,隨機(jī)布置于傳感區(qū)域。算法中選取n個(gè)觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算,n分別取5,10,15,20,25。同時(shí)利用加權(quán)質(zhì)心算法和極大似然估計(jì)法仿真計(jì)算比較。

圖3和圖4分別為最大誤差和平均誤差仿真結(jié)果,從圖中可以看出加權(quán)質(zhì)心算法定位精度優(yōu)于極大似然,特別是在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度較低的情況下,優(yōu)勢更加明顯。

圖3 最大誤差仿真

圖4 平均誤差仿真

5 結(jié)束語

SENMA網(wǎng)絡(luò)屬于立體網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位采用基于RSSI測距的方法較為可行。由于多徑、繞射和障礙物等因素,傳感器節(jié)點(diǎn)與移動代理節(jié)點(diǎn)的距離越遠(yuǎn),測量RSSI誤差越大,從而影響節(jié)點(diǎn)定位精度。為此,設(shè)計(jì)了加權(quán)質(zhì)心算法,利用加權(quán)因子體現(xiàn)各觀測位置對質(zhì)心位置的影響程度,反映了它們之間的內(nèi)在關(guān)系。通過仿真驗(yàn)證了加權(quán)質(zhì)心算法定位精度優(yōu)于極大似然算法。

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