呂元海，王海波，趙　正

（1.西安郵電大學 a.信息中心，b.計算機學院，陜西 西安 710121；2.咸陽師范學院 學報編輯部，陜西　咸陽　712000）

基于RSSI的無線傳感器網絡目標定位算法設計

呂元海1a，王海波1b，趙正2

（1.西安郵電大學 a.信息中心，b.計算機學院，陜西 西安 710121；2.咸陽師范學院 學報編輯部，陜西咸陽712000）

針對無線節(jié)點能夠根據接收信號強度估算其到錨節(jié)點間距離這一特性，設計了基于RSSI的均值定位和條件概率定位兩種無線傳感器網絡目標定位算法。這兩種算法均能夠不同程度地實現未知節(jié)點的定位。在Matlab7.0環(huán)境下對上述算法進行仿真實驗，結果證明在同等條件下，條件概率定位算法較均值定位算法具有穩(wěn)定性好、平均誤差小、定位精度高等優(yōu)點，是一種較好的目標定位算法。

無線傳感器網絡；RSSI；定位算法

無線傳感器網絡的研究包括無線通信、時間同步、系統(tǒng)能耗、節(jié)點管理、網絡安全協(xié)議和定位技術等諸多方面，其中定位技術是無線傳感器網絡［1］正常工作的關鍵?；诮邮招盘枏姸龋≧eceived Signal Strength Indication，RSSI）的定位算法是一種測距算法［2］。無線信號在傳輸過程中，隨著傳輸距離的增長信號強度會逐漸衰減，因此可以建立信號強度隨傳輸距離變化的衰減模型［3-4］，利用接收到的信息計算錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離，再利用所測量的距離來定位未知節(jié)點。由于無線傳感器節(jié)點自帶RSSI指示的功能［5］，應用成本比較低，在室外定位范圍允許的情況下，是一種有效且廉價的解決方案，因而得到了廣泛的應用。本文利用無線節(jié)點［6］的RSSI能夠實現測距的特征，設計了均值定位算法和條件概率定位算法，并對這兩種新型算法進仿真與性能分析。

1　網絡模型

本文假設在a×b的長方形區(qū)域內隨機部署n個錨節(jié)點，并滿足如下條件：

（1）假設，節(jié)點在每個方向上能夠感知到的最大距離是一樣的，以所在位置為圓心，最大感知距離日為半徑，形成的圓盤狀的覆蓋區(qū)域，稱為感知范圍［7］。在覆蓋區(qū)域內的節(jié)點可被感知，如果超過覆蓋區(qū)域范圍，則不能被感知。

（2）無線傳播［8-10］是以理想狀態(tài)為基礎的，所有節(jié)點之間沒有障礙影響。在能被感知的情況下，未知節(jié)點距離錨節(jié)點越近，則定位越精確。所以，模擬信號的衰減模型，將錨節(jié)點所感知的圓面以半徑等分為4份。

（3）每個錨節(jié)點明確自己的位置信息。

（4）每個節(jié)點的通信半徑為R=2×r。

2　算法設計

2.1均值定位算法

2.1.1設計思想

所有錨節(jié)點向以所在位置為圓心，R為半徑的圓盤區(qū)域內的節(jié)點廣播自身的坐標及ID等信息。

如果未知節(jié)點i收集到的錨節(jié)點數為1，則未知節(jié)點的位置就被認為是獲取的錨節(jié)點的位置的東偏南30°處。

如果未知節(jié)點i收集到的錨節(jié)點數為2，則計算未知節(jié)點的范圍節(jié)點，再對范圍節(jié)點求均值，來計算未知節(jié)點的坐標。

如果未知節(jié)點i接收到的錨節(jié)點數大于等于3，計算未知節(jié)點與接收到的錨節(jié)點之間的距離后，將距離由小到大排序。取距離最小和次小的錨節(jié)點計算未知節(jié)點i的范圍節(jié)點。對在第三個錨節(jié)點環(huán)帶中的范圍節(jié)點的坐標求均值，來計算未知節(jié)點的坐標（如圖1）。

圖1　均值定位算法定位的點

如果未知節(jié)點i沒有收集到任何錨節(jié)點的信息，說明其是孤立節(jié)點，無法對其定位。

2.1.2算法流程圖

均值定位算法如圖2所示。

圖2　均值定位算法流程圖

2.2條件概率定位算法

2.2.1設計思想

假設未知節(jié)點（x，y）在錨節(jié)點（x1，y1），（x2，y2），…，（xi，yi）的感知范圍內，未知節(jié)點距離錨節(jié)點越近，則定位越準確。將未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離分為4檔（分別為r′1=0.25r，0.5r，0.75r，0.97r），未知節(jié)點與錨節(jié)點距離相似概率為：

由條件概率的概念可知，若A、B是兩個獨立事件，且P（A）＞0，稱

為在事件A發(fā)生條件下事件B發(fā)生的條件概率。

將式（1）改寫可得：

設能感知到某未知節(jié)點的錨節(jié)點的概率有4種可能，即：

未知節(jié)點出現在某錨節(jié)點感知范圍內的概率可能為P1、P2、P3、P4分別為：

因此，定位出的未知節(jié)點的位置（x，y）為：

2.2.2算法流程圖

條件概率定位算法如圖3所示。

圖3　條件概率定位算法流程圖

3　仿真實驗與性能分析

3.1仿真實驗

采用Matlab7.0對上述算法進行仿真實驗，其中節(jié)點的傳感半徑r=5 m，仿真場參數為：a=60 m，b=30 m，在仿真場中隨機布設200個同構的錨節(jié)點，在實驗的過程中將未知節(jié)點的個數依次設置為20、50、100、150、200。用圓點表示未知節(jié)點的位置，用矩形代表著錨節(jié)點的位置，以錨節(jié)點為中心的圓為模擬的信號的衰減模型，仿真實驗平臺如圖4所示。

圖5為均值定位算法的實驗結果。其中，同心圓之外的節(jié)點代表未定位出的未知節(jié)點，同心圓內連線的節(jié)點代表能定位出的未知節(jié)點的位置，圓圈代表信號強度的衰減模型，同心圓內未連線的節(jié)點代表定位出的未知節(jié)點的位置，連線連接的是能定位的未知節(jié)點與相對應的定位出的節(jié)點的位置。

圖4　仿真實驗平臺

圖5　實驗結果

3.2性能分析

未知節(jié)點與相應的定位坐標之間的距離越短，說明定位越準確，定位的距離差是判定無線傳感器網絡定位算法的一個重要指標。圖6為錨節(jié)點通過兩種不同形式的算法中推測出的節(jié)點和未知節(jié)點間距離差的平均數隨錨節(jié)點數目變化的示意圖，分別表示均值定位算法計算的距離差的平均數和條件概率定位算法計算的距離差的平均數。由此可知，在錨節(jié)點數目較少的情況下，均值定位算法與條件概

率定位算法的（結果相似），但隨著錨節(jié)點數目的增加，條件概率定位算法定位的結果更加趨近于未知節(jié)點的位置。

圖6　平均距離隨節(jié)點數目的變化曲線圖

平均誤差的方差是衡量RSSI的無線傳感器網絡目標定位算法［5］的一個非常重要的指標，它是衡量隨機變量與其數學期望（即均值）之間的偏離程度的，方差越小，則該算法的性能越穩(wěn)定。由圖7可知均值定位算法和條件概率定位算法的方差都隨著部署的信標節(jié)點的個數增加而減小，但條件概率定位算法的方差明顯小于均值定位算法的方差。

圖7　平均距離方差隨節(jié)點數目的變化曲線圖

由仿真實驗可以看出，針對基于RSSI進行無線傳感器網絡目標定位這一技術問題，條件概率定位算法在定位準確度和性能穩(wěn)定性上都明顯優(yōu)于均值定位算法。點的定位，但在同等環(huán)境下，條件概率定位算法在穩(wěn)定性、平均誤差和定位精度等方面均優(yōu)于均值定位算法。本文的研究僅是基于二維空間的，具有一定的局限性，下一步工作將在三維空間中實現未知節(jié)點的定位問題。

本文設計了基于RSSI實現網絡目標定位的條件概率定位算法和均值定位算法，通過仿真實驗證明，這兩種算法都能夠實現無線傳感網絡中未知節(jié)

4　結語

［1］于寧，萬江文，吳銀峰.無線傳感器網絡定位算法研究［J］.傳感技術學報，2007（1）：187-192.

［2］詹杰，吳伶錫，唐志軍.無線傳感器網絡RSSI測距方法與精度分析［J］.電訊技術，2010（4）：83-87.

［3］曾桂秀，賴旭芝，吳敏.一種分布式無線傳感器網絡節(jié)點定位新算法［J］.計算技術與自動化，2006（4）：28-30.

［4］李成岳.基于DV-Hop的無線傳感器節(jié)點定位算法研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［5］趙文輝，姜宇，劉大昕.高精度無線傳感器網絡節(jié)點定位算法［J］.哈爾濱工程大學學報，2009，30（4）：66-69.

［6］林金朝，劉海波，李國軍，等.無線傳感網絡中DV-HOP節(jié)點定位改進算法的研究［J］.計算機應用研究，2009，26（4）：272-275.

［7］張蟬愛.基于RSSI的加權質心定位算法的實現［J］.太原理工大學學報，2009（2）：146-150.

［8］郭昀.無線傳感器網絡中節(jié)點自身定位系統(tǒng)和算法［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［9］肖玲，李仁發(fā)，羅娟.基于多維標度和信號強度的無線傳感器節(jié)點定位算法［J］.計算機科學，2007（9）：85-88.

［10］秦小虎，辛云宏，夏海峰，等.無線傳感器網絡節(jié)點定位技術［J］.計算機系統(tǒng)應用，2011，9（6）：117-121.

Design of Target LocationAlgorithm Based on RSSI for Wireless Sensor Networks

LYU Yuanhai1a，WANG Haibo1b，ZHAO Zheng2
（1.a.Information Center，b.School of Computer Science，Xi'an University of Posts& Telecommunications，Xi'an 710121，Shaanxi，China；2.Editorial Department，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

According to the feature of the wireless nodes to estimate received signal strength to anchor nodes，two kinds of wireless sensor networks are designed based on RSSI target localization algorithm，the average localization algorithm and the conditional probability localization algorithm.These two algorithms are able to function the positioning of the unknown node in different degrees.A simulation test is made of the above algorithm in Eclipse4.2 environment simulation experiment.The results show that under the same condition，the conditional probability positioning algorithm has good stability，small average error，high positioning accuracy，which is a good target localization algorithm.

wireless sensor network（WSN）；RSSI；localization algorithm

TP31

A

1672-2914（2016）04-0042-04

2016-04-09

咸陽師范學院科研基金項目（11XSYK345）。

呂元海（1980—），男，陜西西安市人，西安郵電大學信息中心工程師，碩士，研究方向為教學信息化、網絡與通信、網絡安全。