導(dǎo)語(yǔ)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特性剖析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：該文提出了一種基于RSSI測(cè)距技術(shù)的DV-Hop定位算法。該算法有效利用每跳的統(tǒng)計(jì)信息并結(jié)合RSSI測(cè)距技術(shù)，在不增加傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件開(kāi)銷的基礎(chǔ)上有效提高定位精度和擴(kuò)大定位范圍。實(shí)驗(yàn)表明了提出的方法在不同的節(jié)點(diǎn)比例和節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下，定位誤差和定位范圍等性能與傳統(tǒng)的定位算法相比有明顯的提高，是一種有效的方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；DV-Hop；跳數(shù)；節(jié)點(diǎn)定位

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs：WirelessSensorNetworks)廣泛應(yīng)用于軍事和民用等領(lǐng)域。其中很多WSNs的應(yīng)用，例如戰(zhàn)場(chǎng)上的軍用設(shè)施，環(huán)境監(jiān)測(cè)，室內(nèi)人員跟蹤等應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，是基于傳感器節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)固定的大小，能量有限以及設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本等，這些特點(diǎn)使得對(duì)于WSNs的應(yīng)用進(jìn)行廣泛推廣遇到諸多問(wèn)題，因此建立一種有效的定位算法成為WSNs滿足不同的應(yīng)用需求成為新的挑戰(zhàn)[1]。

本文提出了一種基于RSSI測(cè)距技術(shù)的DV-Hop定位算法。該算法有效利用每跳的統(tǒng)計(jì)信息并結(jié)合RSSI測(cè)距技術(shù)，在不增加傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件開(kāi)銷的基礎(chǔ)上有效提高定位精度和擴(kuò)大定位范圍。實(shí)驗(yàn)表明了提出的方法在不同的節(jié)點(diǎn)比例和節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下，定位誤差和定位范圍等性能與傳統(tǒng)的定位算法相比有明顯的提高，是一種有效的方法。

1基于DV-Hop節(jié)點(diǎn)定位

NiculescuD等人提出了DV-Hop算法，該算法依據(jù)WSNs中節(jié)點(diǎn)平均每跳距離和到錨節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)乘積估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后利用極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。DV-Hop算法的定位過(guò)程由三個(gè)階段構(gòu)成。DV-Hop定位算法可以分為三個(gè)步驟。第一步每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)依據(jù)記錄的WSNs中所有錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值和相距跳數(shù)值，根據(jù)如下公式：

（1）

計(jì)算平均每跳距離。

第二步，錨節(jié)點(diǎn)依據(jù)第一步計(jì)算得到的每跳平均距離向WSNs做一次廣播，其余未知節(jié)點(diǎn)記錄所接收到的第一個(gè)每跳平均距離，然后轉(zhuǎn)發(fā)給其鄰居節(jié)點(diǎn)。并利用公式Distancei=Hopsi×Hopsizei，把平均每跳距離與跳數(shù)相乘，從而估算出與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。

第三步，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與三個(gè)以上的錨節(jié)點(diǎn)的距離后，利用三邊測(cè)量最大似然法，實(shí)現(xiàn)自身定位。

2本文提出的自定位算法

算法首先錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線信號(hào)，在其通信半徑內(nèi)的其余未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱分析得到距錨節(jié)點(diǎn)的距離。根據(jù)信號(hào)衰減模型，距離錨節(jié)點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，信號(hào)的衰減越大，未知節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)越弱。而距離錨節(jié)點(diǎn)越近的未知節(jié)點(diǎn)，其接收的信號(hào)越強(qiáng)。因此，信號(hào)強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)間的距離存在一種如下映射關(guān)系。

設(shè)R表示未知節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為，依據(jù)一次線性模型，=A+BR，計(jì)算該未知節(jié)點(diǎn)距錨節(jié)點(diǎn)的距離，記為。系數(shù)A，B可由最小二乘法求得。

設(shè)有的N個(gè)觀察值D1,…,Dn，R的N個(gè)觀察值R1,…,Rn，得到理論曲線=F(R),然后使偏差平方和為最小。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)一般而言是固定不動(dòng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑固定的。采用DV-Hop定位算法時(shí)，首先計(jì)算最小跳數(shù)和平均每跳距離，然后把乘積作為距錨節(jié)點(diǎn)距離的估算，最后依據(jù)估算值進(jìn)行三邊測(cè)量。然而，對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)間實(shí)際距離與估算距離之間存在計(jì)算誤差，這也是DV-Hop算法主要的定位誤差來(lái)源，同時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的跳數(shù)信息并沒(méi)有得到充分利用。本文針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)DV-Hop算法進(jìn)行改進(jìn)，基于RSSI測(cè)量技術(shù)，并有效利用統(tǒng)計(jì)得到的跳數(shù)信息，以便降低節(jié)點(diǎn)間實(shí)際距離與估算距離之間的計(jì)算誤差，提高定位精度和擴(kuò)大定位范圍。然后根據(jù)公式（2）對(duì)于不同的錨節(jié)點(diǎn)求解Hop-Size的平均值：

(2)

其中，n表示錨節(jié)點(diǎn)數(shù)，Hop-Sizei可由公式（1）求得。最后，其余未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一跳距離和跳數(shù)信息求得通信距離，公式如下：

在第三步中，許多二維空間定位的模型主要依據(jù)錨節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行估算。設(shè)(x,y)是源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，(xi,yi)表示第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，di表示未知節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離，可由公式求得：

(4)

在DV-Hop算法中，預(yù)測(cè)物理通信距離是依據(jù)錨節(jié)點(diǎn)位置，采用三邊測(cè)量推算估計(jì)得到最終定位信息的。在本文提出的改進(jìn)型DV-Hop定位算法中，不再采用三邊測(cè)量法最大似然法，而采用二維空間定位算法[6]。

基于此，本文采用一種最小平方的方法，建立一種對(duì)于啟發(fā)節(jié)點(diǎn)高性能的預(yù)測(cè)機(jī)制[7]。

根據(jù)公式（3）和（4），可以得到如公式（5）所示關(guān)系。

(5)

其中，Ei=Xi2+Yi2,K=x2+y2。

設(shè)Zc=[x,y,K]T，則有公式（6）和（7）。

（6）

（7）

根據(jù)公式（5）可以得到如公式（8）所示關(guān)系。

hc=GcZc（8）

依據(jù)最小平方法和公式（8），可以得到如公式（9）所示關(guān)系。

（9）

然后，對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)的位置，(x,y)表示如公式（10）所示。

（10）

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立在MATLAB7.0上，對(duì)本文提出的方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析。在仿真實(shí)驗(yàn)型中，假設(shè)一個(gè)二維WSNs中有N個(gè)節(jié)點(diǎn),它們分布于一塊L*L的正方形區(qū)域內(nèi)，無(wú)障礙或干擾，其中錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的通信模型是以自身為中心的圓，通信半徑用R表示；錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的通信能力相同，通信半徑均為R；節(jié)點(diǎn)具有對(duì)稱的通信能力，發(fā)送和接收能力相同。圖1給出了DV-Hop算法和本文提出的算法在不同錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的相對(duì)定位誤差與錨節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系。由圖1可知，本文提出的改進(jìn)型算法與原始的DV-Hop算法相比在定位上取得了較好的性能。定位誤差隨著錨節(jié)點(diǎn)的增加顯著降低。在錨節(jié)點(diǎn)數(shù)比例相同的情況下，改進(jìn)型DV-Hop算法在相同WSNs通信環(huán)境下定位誤差明顯低于原始的DV-Hop算法。

圖2改表示的是本文提出的算法分別在傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署和統(tǒng)一部署兩種情況下的定位誤差的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出，改進(jìn)型DV-Hop算法能夠有效地降低定位誤差，擴(kuò)大定位覆蓋范圍。例如，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為50時(shí)，定位覆蓋范圍已經(jīng)達(dá)到了100%。通過(guò)錨節(jié)點(diǎn)，有效地利用統(tǒng)計(jì)得到的跳數(shù)信息以及采用RSSI測(cè)距技術(shù)，定位精度更高。表明采用該改進(jìn)型DV-Hop定位算法后，WSNs可以應(yīng)用在對(duì)定位精度和范圍要求很高的場(chǎng)景中。另外當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一部署時(shí)，定位精度和范圍明顯高于隨機(jī)部署，因此，為了保證高精度定位和大范圍的定位，可以在構(gòu)建WSNs之前，先對(duì)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一高效的部署。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于無(wú)線傳感網(wǎng)的基于RSSI的DV-Hop定位算法。該算法有效利用每跳的統(tǒng)計(jì)信息并結(jié)合RSSI測(cè)距技術(shù)，在不增加傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件開(kāi)銷的基礎(chǔ)上有效提高定位精度和擴(kuò)大定位范圍。通過(guò)仿實(shí)際驗(yàn)，驗(yàn)證了在定位誤差方面的有效性，表明該算法是一種高效且準(zhǔn)確的定位算法。