張佳,劉艷昌,王鮮芳（.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;.河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453007）

信號(hào)不規(guī)則特性對(duì)WSN定位算法評(píng)價(jià)的影響

張佳1,劉艷昌1,王鮮芳2
（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;2.河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453007）

在評(píng)價(jià)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位算法性能時(shí),大多是基于理想的無(wú)線信號(hào)傳播模式,從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況相差較大.針對(duì)這種情況,研究了WSN在實(shí)際環(huán)境下無(wú)線信號(hào)表現(xiàn)出的不規(guī)則特性及對(duì)自身定位過(guò)程的影響,并將RIM模型引入到算法測(cè)算的過(guò)程中.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,信號(hào)的不規(guī)則特性對(duì)于定位算法的評(píng)價(jià)有著較為明顯的影響.

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；自身定位算法；信號(hào)不規(guī)則特性；信號(hào)不規(guī)則模型

節(jié)點(diǎn)自身定位是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用的基礎(chǔ)[1-2].在WSN的定位算法中,非參考節(jié)點(diǎn)要依據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行自我定位,如文獻(xiàn)[3-7]所列舉的算法.因此參考節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,參考節(jié)點(diǎn)所提供的位置信息直接決定定位算法性能的優(yōu)劣.在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)較大的問(wèn)題,在對(duì)定位算法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)所設(shè)定的研究背景大多都是明顯或隱晦地基于理想的無(wú)線信號(hào)傳播模式.這樣做雖然降低了測(cè)試難度,但由于在真實(shí)環(huán)境下無(wú)線信號(hào)的傳播會(huì)表現(xiàn)出高度的各向異性,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn).

針對(duì)這種情況,本文研究了在真實(shí)環(huán)境下無(wú)線信號(hào)傳播所表現(xiàn)出的不規(guī)則特性對(duì)自身定位過(guò)程的影響,并將RIM模型引入到傳感器算法評(píng)價(jià)的體系中,從而能夠在進(jìn)行算法測(cè)定時(shí)盡可能接近實(shí)際情況,為定位算法的評(píng)價(jià)研究提供真實(shí)的參考依據(jù).

1 信號(hào)傳播不規(guī)則特性的分析

1.1 信號(hào)傳播不規(guī)則特性的原因

信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出高度的不規(guī)則特性,該特性主要來(lái)源于兩個(gè)方面：設(shè)備和傳播媒介.設(shè)備如天線（單向或雙向）、發(fā)射功率、天線增益、接收敏感度、接收門限和信噪比；媒介特性包括媒介類型、背景噪聲以及其它一些環(huán)境因素,諸如溫度和傳播媒介的阻抗.而這其中傳播媒介路徑損耗的各向異性和信號(hào)發(fā)射的差異是造成信號(hào)不規(guī)則特性的主要原因.

路徑損耗的各向異性：信號(hào)在不同路徑上傳播損耗的差異是信號(hào)不規(guī)則特性的主要原因.信號(hào)在媒介中傳播時(shí),可能會(huì)發(fā)生反射、衍射和散射現(xiàn)象,這些現(xiàn)象均是由于媒介中無(wú)所不在的差異引起的,在各個(gè)方向上媒介的特性自然都是不同的,因此在大多數(shù)環(huán)境下信號(hào)傳播都會(huì)表現(xiàn)出不規(guī)則特性.

信號(hào)發(fā)射的差異：即使是相同類型的裝置,傳感器節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的RF信號(hào)的功率也可能會(huì)不同,這可能來(lái)自于傳感器裝置制造中的隨機(jī)因素.另外,在傳感器節(jié)點(diǎn)部署完畢后,由于工作負(fù)載和所處環(huán)境的不同,傳感器裝置中的電池消耗速度會(huì)不相同,這都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)射的差異.信號(hào)發(fā)射的差異會(huì)導(dǎo)致通信區(qū)域的不同,引起通信連接的各向異性.

1.2 信號(hào)傳播不規(guī)則特性的影響

無(wú)線信號(hào)傳播的不規(guī)則特性在WSN節(jié)點(diǎn)的通信中是一個(gè)不可忽視的現(xiàn)象.它是造成上層協(xié)議中非對(duì)稱無(wú)線信號(hào)沖突和非對(duì)稱鏈接的主要原因,直接或間接影響許多上層協(xié)議,例如MAC和路由層協(xié)議、定位算法的運(yùn)行、傳感聚合和拓?fù)淇刂茀f(xié)議.

2 RIM模型分析

無(wú)線信號(hào)不規(guī)則傳輸模型（Radio Irregularity Model,RIM）是2004年提出的[8],該模型以同向信號(hào)傳播模型為基礎(chǔ),而同向信號(hào)傳播模型則是目前在評(píng)價(jià)傳感器網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)所主要依據(jù)的研究背景.在同向信號(hào)傳播模型中,信號(hào)接收強(qiáng)度的公式為

式（1）中,RSS為Received SignalStrength,即信號(hào)接收強(qiáng)度；SP為Sending Power,即發(fā)射功率,它是由電池狀態(tài),發(fā)射機(jī)、放大器和天線類型決定的；PL為Path Loss,即路徑損耗；F代表Fading即為信號(hào)衰減.

而為了表示信號(hào)真實(shí)傳播情況下的各向異性,RIM將信號(hào)接收強(qiáng)度公式改進(jìn)為

式（2）中,VSP表示變化發(fā)送功率（Variance ofSending Power）,它代表不同裝置之間信號(hào)發(fā)送功率最大程度的變化,計(jì)算公式為

在以上公式中,認(rèn)為發(fā)送功率的變化服從正態(tài)分布,它被廣泛用于度量硬件所引起的差異.

DOI表示不規(guī)則度模型（Degree of Irregularity）,而DOI Adjusted PL=PL×Ki,Ki是代表不同方向上路徑損耗不同的系數(shù).計(jì)算方法是

根據(jù)式（4）,通過(guò)隨機(jī)鎖定一個(gè)方向作為起始方向,計(jì)算出360度方向上不同的Ki值.對(duì)于角度不為整數(shù)的情況,結(jié)合傳輸損耗變化連續(xù)性的特點(diǎn)可以依據(jù)相鄰兩個(gè)整數(shù)角度上的Ki值根據(jù)式（4）進(jìn)行推導(dǎo)得出

式（5）中對(duì)于系數(shù)Ki的調(diào)整結(jié)合式（2）,即可得到連續(xù)方向上的信號(hào)強(qiáng)度.連續(xù)方向上信號(hào)接收強(qiáng)度（dBm）的變化遵從Weibull分布.Weibull分布是描述非正態(tài)分布的常用統(tǒng)計(jì)模型,可以在很寬泛的條件下與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的匹配,所以Weibull分布能很好地描述多種雜波[8].

RIM主要是用于測(cè)算對(duì)于通信的影響,并未用于對(duì)算法影響的測(cè)算.本文將RIM模型引入到算法評(píng)價(jià)的過(guò)程中.

3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

對(duì)RIM模型中的非同向特性進(jìn)行模擬,首先就是要計(jì)算各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)周邊360度不同方向上的路徑傳輸損耗,根據(jù)式（4）,對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),首先應(yīng)為其隨機(jī)生成一個(gè)角度作為起始角度,將該角度上的損耗系數(shù)設(shè)為1,以該起始角度為開始運(yùn)用Weibull分布函數(shù)計(jì)算出每個(gè)角度上的Weibull系數(shù),結(jié)合各個(gè)角度上生成的隨機(jī)數(shù)對(duì)DOI模型進(jìn)行調(diào)整,從而根據(jù)式（4）計(jì)算出各個(gè)角度上的傳輸損耗系數(shù)Ki.

在得到節(jié)點(diǎn)各個(gè)角度上的傳輸損耗系數(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)角度進(jìn)行計(jì)算,從而得到對(duì)應(yīng)每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間傳輸路徑上的損耗系數(shù),并根據(jù)信號(hào)傳輸損耗連續(xù)性的特點(diǎn),通過(guò)式（5）進(jìn)行調(diào)整,使得到的損耗系數(shù)更接近真實(shí)環(huán)境,再根據(jù)傳輸損耗系數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸功率損耗進(jìn)行調(diào)整計(jì)算.

根據(jù)發(fā)送功率的變化服從正態(tài)分布的特點(diǎn),對(duì)由于硬件標(biāo)度和電池狀態(tài)的不同所引起的變化發(fā)送功率進(jìn)行計(jì)算,最后依據(jù)式（2）,得到包括參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)在內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互之間彼此所能接收到的信號(hào)強(qiáng)度.

分別根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的信號(hào)接收門限值來(lái)計(jì)算實(shí)際中所能接收到有效信息的參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn).這里分三種情況來(lái)考慮：如果參考節(jié)點(diǎn)A和未知節(jié)點(diǎn)U之間能夠建立起有效對(duì)稱鏈接,符合該條件的參考節(jié)點(diǎn)自然能夠用于對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位；如果存在從參考節(jié)點(diǎn)A到未知節(jié)點(diǎn)U的非對(duì)稱鏈接,此時(shí)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息仍能被傳送到未知節(jié)點(diǎn),也可以利用該參考節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位；但如果只是存在從未知節(jié)點(diǎn)U到參考節(jié)點(diǎn)A的非對(duì)稱鏈接,就舍棄該參考節(jié)點(diǎn)參加定位,因?yàn)閰⒖脊?jié)點(diǎn)A的位置信息無(wú)法被傳送到未知節(jié)點(diǎn)U.以上這些情況對(duì)于僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實(shí)現(xiàn)定位的算法來(lái)說(shuō),影響是非常大的.下面,將對(duì)定位算法在理想球狀信號(hào)和不規(guī)則信號(hào)傳播模式下的表現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比.

4 性能比較

在上述分析的基礎(chǔ)上,本文對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下進(jìn)行了模擬.

選取定位算法中較為常用的APIT和DV-HOP算法進(jìn)行比較,在下面的實(shí)驗(yàn)中,除非特別說(shuō)明,所有的傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)均勻放置在200 m×200 m的正方形區(qū)域內(nèi)；節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率為-5 dBm,接收門限為-70 dBm,在自由空間環(huán)境下每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)傳播半徑是48.9 m；Weibull分布參數(shù)的值設(shè)置為[0.16,0.67],每個(gè)實(shí)驗(yàn)均獨(dú)立運(yùn)行100次取平均結(jié)果.

在實(shí)驗(yàn)中以平均定位誤差和平均定位比例剩余作為算法的對(duì)比性能指標(biāo).平均定位誤差是所有節(jié)點(diǎn)的估測(cè)位置和真實(shí)位置之間相差的平均距離,在實(shí)驗(yàn)中用節(jié)點(diǎn)的通信距離將其歸一化.平均定位比例剩余是指在若干輪定位之后未得到定位的未知節(jié)點(diǎn)占未知節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比例,反映了算法的收斂速度.

4.1 變化參考節(jié)點(diǎn)數(shù)

實(shí)驗(yàn)將討論參考節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化對(duì)于定位算法的影響,設(shè)定節(jié)點(diǎn)總數(shù)為200個(gè),標(biāo)準(zhǔn)差為20 m,參考節(jié)點(diǎn)數(shù)從20增加到100個(gè),參數(shù)VSP取0.1,DOI取0.002.

圖1變化參考節(jié)點(diǎn)數(shù)Fig.1 Reference numberofvarieties

圖1 （a）說(shuō)明基于RIM模型的兩種算法的誤差都要高于理想情況下的算法,這其中APIT算法的表現(xiàn)更為明顯.圖1（b）說(shuō)明基于RIM模型的APIT算法的定位比例剩余要高于理想APIT算法.出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是無(wú)線信號(hào)的不規(guī)則特性干擾了部分參考節(jié)點(diǎn)參與定位.

總之,無(wú)線信號(hào)的不規(guī)則特性對(duì)于APIT的影響更為明顯.這主要是由于APIT算法定位過(guò)程中的三角定位嚴(yán)格限制特性引起的,這將導(dǎo)致該算法更易受信號(hào)不規(guī)則特性的影響.

4.2 變化標(biāo)準(zhǔn)差

在定位過(guò)程中,由于各種原因參考節(jié)點(diǎn)的位置信息難免出現(xiàn)誤差,而標(biāo)準(zhǔn)差的變化反映了定位信息的變化范圍.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,將分析在標(biāo)準(zhǔn)差從20 m增加到100 m的過(guò)程中對(duì)于定位算法的影響.總數(shù)為200個(gè)節(jié)點(diǎn)中有參考節(jié)點(diǎn)48個(gè),設(shè)定出現(xiàn)偏差的節(jié)點(diǎn)為20%.

圖2（a）說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)差的變化對(duì)于APIT算法的影響同樣更為明顯,原因與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)類似.圖2（b）說(shuō)明隨著標(biāo)準(zhǔn)差的增加,兩種情況下APIT算法的定位比例剩余都出現(xiàn)了下降,且變化趨勢(shì)也幾乎一致.這種結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)差的增加反而增大了APIT算法中三角定位的成功概率.

圖2 變化標(biāo)準(zhǔn)差Fig.2 Standard deviation ofvarieties

4.3 變化DOI

參數(shù)DOI的變化影響定位中的連通性,實(shí)驗(yàn)中同樣設(shè)置包括48個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的200個(gè)節(jié)點(diǎn).將分析在DOI的值由0.002增加到0.01的過(guò)程中,兩種基于RIM模型定位算法的表現(xiàn).

圖3變化DOIFig.3 DOI ofvarieties

圖3 （a）表明APIT的誤差隨DOI的增大顯著增加,而DV-HOP算法對(duì)于DOI的變化并不明顯.圖3（b）說(shuō)明DOI的變化對(duì)兩種算法的定位比例剩余幾乎沒(méi)有影響.

4.4 變化VSP

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,DOI設(shè)定為0.002,而VSP從0.2增加到1,其他設(shè)置與4.3相同.

圖4變化VSPFig.4 Change of VSP

圖4 （a）表明,相對(duì)于DV-HOP算法,在定位誤差方面VSP的變化對(duì)于APIT算法的影響更為顯著.而圖4（b）說(shuō)明隨著參數(shù)VSP的增大,APIT算法的定位比例剩余迅速增大,在VSP達(dá)到0.4時(shí)趨于穩(wěn)定；而DV-HOP算法的定位比例剩余則有所下降.說(shuō)明隨著VSP的增大,提高了DV-HOP算法的定位成功率的同時(shí)卻減小了APIT定位算法的定位成功率.表明參數(shù)VSP對(duì)于不同的定位算法有著不同的影響,這種現(xiàn)象值得在其他算法上進(jìn)行繼續(xù)研究.

5 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播的不規(guī)則特性對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)間定位可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)表明,現(xiàn)實(shí)中所接收信號(hào)強(qiáng)度的變化是非常隨機(jī)的；然而,伴隨著接收方向的不斷變化,接收到的信號(hào)強(qiáng)度的變化也是連續(xù)性的.本文在無(wú)線傳感器定位算法的測(cè)算過(guò)程中引入RIM模型來(lái)研究信號(hào)的不規(guī)則特性對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位算法帶來(lái)的影響,并進(jìn)行了對(duì)比分析.希望能夠?yàn)閺浹a(bǔ)研究中所應(yīng)用的球形無(wú)線信號(hào)模型和現(xiàn)實(shí)中無(wú)線信號(hào)傳播模式之間的差異建起一座橋梁,使得能在對(duì)定位算法進(jìn)行研究時(shí)盡量接近真實(shí)情況.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Research on impact of radio irregularity on performance of selflocalization in WSN

Zhang Jia1,Liu Yanchang1,Wang Xianfang2
（1.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China;2.Henan NormalUniversity, Xinxiang 453007,China）

Nowadays function of self-localization algorithms of WSN is evaluated mostly based on the idealistic radio propagation model,which brings about the results much different from the practical ones．To solve this problem, this paper investigates and analyzes radio signal irregularity under the practical circumstances and its impact on the self-localization algorithms through introducing the RIM into the course of evaluation．The experimental results prove that radio irregularity has an obvious impact on the evaluation of localization algorithms．

Wireless Sensor Network（WSN）；self-location algorithm；radio irregularity；Radio Irregularity Model（RIM）

TP393

A

1008-7516（2013）01-0095-05

10．3969/j．issn．1008-7516．2013．01．023

2012-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(61173071)

張佳(1979-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士,助教．主要從事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究．