作者 张春炯1 陈立万1 杨震1 曹磊2 刘莎1 刘子路1 1.重庆三峡学院 电子信息与工程学院(重庆 404100)2.商丘学院 学生处(河南 商丘 476000)
*基金项目：国家天然基金(编号：61402063);我国博士后科学基金(编号：160560);重庆三峡学院研讨生立异创业项目《根据多细胞生物免疫机理的WSN节点协同信息处理研讨》
张春炯(1990-)，男，硕士，研讨方向：无线传感网络;陈立万，男，教授，研讨方向：信号与信息处理。
摘要：在无线传感器网络中定位技能是运用广泛的重要技能，在根据间隔的定位技能中，测距精度在很大程度上决议了定位精度。传统的RSSI测距法存在途径丢失模型杂乱、环境改动引起信号严峻震动而发生测距差错等缺乏。针对以上问题，本文提出运用锚节点测距信号衰减因子的RSSI测距法，该测距法无需树立途径丢失模型，一起，信号衰减因子与RSSI测距有很强的关联性，削减了因其他要素引起的信号强度值震动而带来的测距差错，具有很好的环境适应能力。
导言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是现代一种有很多微型传感器节点安置的无线检测区域网络[1]。在无线传感器网络实践工程运用中，节点需求供给本身的方位信息及检测信息，才干供给有用的监测服务[2-3]。无线传感器网络中方针的定位、盯梢和轨道猜测都需求节点的方位信息[4]。
WSN的定位问题一般指关于一组不知道方位信息的网络节点，依托已知的锚节点的方位信息，通过丈量不知道节点至其他节点的间隔或跳数，或许通过估量节点或许处于的区域规模，结合节点间交流的信息和锚节点的已知方位，来确认每个节点的方位[5]。
根据接纳信号强度指示测距法(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的测距办法是指，信号在传达过程中遇到障碍物时会被反射、折射以及吸收，在障碍物周围的信号存在较大的途径丢失，形成测距的不精确性，最大测距差错可达±50%[2]。本文针对RSSI测距法中存在的缺乏，提出运用锚节点测距信号的RSSI测距法处理测距差错。
1 节点定位技能基本理论
1.1 根据间隔(Range-Based)的定位
在Range-Based的定位中，节点之间测距精度决议定位的精度，介绍剖析以下几种常见的测距法。
抵达时间(Time of Arrival,TOA)测距法[6]是一种根据方向链路的定位办法，通过丈量节点信号抵达多个信标节点的传达时间来确认节点的方位。但它对一切节点相同的差错没有进行处理，差错较大。
抵达时间差(Time Different of Arrival,TDOA)测距法[3]是另一种根据反向链路的定位办法，通过检测不同信号抵达的时间差来确认节点的方位。但因为节点功率操控会形成相邻节点接纳到的功率小，因而会导致比较大的丈量差错。
抵达角(Angle of arrival,AOA)定位法[4]由两个或更多锚节点通过丈量接纳信号的抵达角来估量节点的方位。而当节点间隔和谐器较远时，节点定位视点的细小差错会导致测位线间隔的较大差错。
接纳信号强度指示(RSSI)测距法[5,6]通过接纳节点丈量接纳功率，核算传达损耗，运用理论或经历的信号途径丢失模型将传达损耗转化为间隔。其不需添加任何额定硬件下降投入本钱，但其途径丢失模型树立杂乱，射频信号易受多径式微、非视距等环境影响导致接纳信号强度值严峻震动，难以精确测距。
1.2 影响定位精度的主要要素
因为无线传感器网络的通讯环境杂乱多变，因而，各种依赖于通讯信号丈量的定位技能都受到各种要素的影响，如多径传达问题及NLOS传达。
2 RSSI测距法
RSSI测距法定位的算法中，用已知节点之间间隔丈量的精确度来决议定位的精度。RSSI测距法的基本思维是：在传达过程中因为信号的衰减，通过特定环境下的信号传达途径丢失模型，运用到所求信号传达环境下，核算出信号衰减量对应的节点之间信号的传输间隔。
2.1 RSSI测距原理
RSSI的定位算法中，传达信号在自由空间中传达，其能量没有介质损耗，传达途径损耗是指自由空间中发射节点的发射信号在传达过程中，跟着间隔的添加，因为信号被反射、吸收使节点接纳到信号的功率密度削减，核算出信号的传达损耗，树立途径丢失模型将传输损耗量转化为对应间隔[2-3,6]。途径丢失是间隔的二次函数，表达式如下：
(1)
上式中Pt为节点发射功率，Pt(d)为接纳功率;Gr、 Gt分别是发射天线和接纳天线的增益;d是发射节点到接纳节点的间隔;n是取决于环境的均匀途径损耗指数;λ是波长。
由(1)式可得：
(2)
由此，接纳信号功率改动与发射节点及接纳节点间隔的平方成反比，通过丈量接纳信号的强度运用式(2)可核算出发射与接纳两节点间的间隔。
2.2 RSSI测距法优缺点及差错剖析
但RSSI测距法在实践运用中，因为环境要素易发生多径传达、反射、天线增益、非视距等现象，即便安置在固定场合的无线传感器网络，当环境要素改动时，信号衰减速度也会改动，形成相同间隔发生不同环境均匀途径损耗指数的传达损耗，所以RSSI的定位技能在根据间隔的定位技能领域中一般归于大略定位。
3 根据测距信号的RSSI测距法
3.1 改善思路
关于RSSI测距法中信号传达途径丢失，提出运用锚节点测距信号衰减因子进行改善。其基本思路是凭借两个锚节点间的信号传达损耗核算出信号衰减因子，再将信号衰减因子用于已知节点与不知道节点的测距中，核算间隔。
测距布局思路如图1所示，在无线传感器网络中已知两节点方位信息，N2为所需求的节点。N0和N2为相同环境下，两节点可进行通讯，由已知节点N0到N2的方位信息，测出N0到N2的间隔，确认节点N2的定位信息。运用锚节点测距信号衰减因子的思维，若在节点N0的通讯规模内存在一锚节点N1，则N0、N1、N2为街坊节点，在节点N0通讯小规模内存在环境噪声系数引起信号无规则的衰减时，环境噪声系数关于N0到N2与N0到N1之间的信号通讯质量的影响是相同的。同状态下，信号从N0到N2与从N0到N1的衰减规则共同。因而，通过锚节点N1和N0得出同状态下信号衰减速率与间隔的数值联系，从而通过该衰减因子核算N0到N2的间隔。在此改善思路上结合信号随间隔添加而衰减变快的状况，推导出信号衰减因子。
在根据RSSI测距法的定位过程中，均需在不知道节点的通讯规模内有至少三个锚节点对其定位，因而当核算衰减因子时即可运用这些锚节点，不需额定添加节点。
3.2 信号随机衰减系数
在相同环境下有两个锚节点N0、N1和一个不知道节点N2，N0与N1和N0与N2均可彼此通讯。N0、N1间隔为d1，且已知N0宣布的信号强度为PN0，传输到N1时，信号强度降为PN1;从N0 传输到N2时，信号强度降为PN2。需测N0到N2的间隔d(其示意图如图2所示)。
推导如下：
无线传感器网络传输信号的能量损耗E与间隔d的联系：
可见，根据锚节点辅佐测距信号随机衰减系数的RSSI测距法运用锚节点辅佐定位。该测距法无需树立杂乱的途径丢失模型，而运用锚节点辅佐信号衰减因子用于测距。
4 算法仿真剖析
为了查验根据锚节点辅佐信号的RSSI测距算法的功能，在NS2平台上对WSN算法运用数据搜集，运用仿真视点进行算法的剖析，即在PN0、PN1、d1取必定值的状况下得出PN2与d的联系。
算法
，其间，
即为信号衰减因子，它是由两个锚节点N0、N1求得，环境改动时，n随之改动。
图3所示为在固定节点N0和节点N2时，不同的环境衰减因子对改善RSSI曲线的影响示意图。能够看出，环境衰减因子n对传达模型影响很大，n值越小，其对应的改善RSSI曲线越陡峭，节点信号衰减得越慢，节点N2定位差错越小。反之，n值越大，信号衰减得越快，定位差错越大。
现给定一组值：
，当
时，在Matlab2016a上通过算法仿真剖析，制作出d与PN2的联系图，如图4所示。
仿真图中曲线显现了运用信号衰减因子法所得的节点N2的接纳信号强度与间隔的联系，信号强度随间隔的添加而衰减变快，且衰减速度较均匀，未呈现信号强度震动现象。
5 定论
在根据间隔的定位技能中，定位精度取决于测距精度。本文提出了运用锚节点测距信号衰减因子的思维和办法，并论述其测距原理，推导出信号衰减因子。与传统的RSSI测距法比较，该测距法无需树立杂乱的途径丢失模型，而是核算一起刻的信号衰减因子用于测距，衰减因子现求现用能有用削减因其他要素引起的信号强度震动带来的测距差错，进步无线传感器网络中RSSI定位精度。
参考文献：
[1]贾丽,孙骞,辛丽,等.无线传感器网络定位技能及典型体系[J].信息技能, 2017, (01):17-21.
[2]张新荣,熊伟丽,徐保国.一种根据RSSI的无线传感器网络全程优化分布式定位战略[J].传感技能学报, 2016, (12): 1875-1881.
[3]崔焕庆,王英龙,吕家亮.WSN移动信标辅佐定位办法总述[J].核算机工程, 2012, (02):113-115,118.
[4]吕淑芳.无线传感器网络节点定位研讨总述[J].传感器与微体系,2016,(05): 1-3,8.
[5]彭建华,巩小锐,黄开枝,等.一种根据凸组合的TOA几许定位算法[J]. 信息工程大学学报, 2016, (04): 431-436.
[6]张会新,陈德沅,等.一种改善的TDOA无线传感器网络节点定位算法[J].传感技能学报, 2015, (03):412-415.
本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第33页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
