基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無線定位方法，是一種基于陰影衰落的節(jié)點(diǎn)定位方法，屬于無線 網(wǎng)絡(luò)中的無線定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近些年來基于位置服務(wù)需求的增加，無線定位技術(shù)相關(guān)的研究越來越活躍。 在過去的幾十年中提出了基于接收信號(hào)強(qiáng)度化SS)，基于到達(dá)角度信息（A0A)和基于到達(dá) 時(shí)間（T0A)的無線定位方法。但是基于A0A的定位方法需要節(jié)點(diǎn)安裝天線陣列或者能夠旋 轉(zhuǎn)的定向天線等特殊的天線。基于T0A的定法方法需要錯(cuò)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)滿足精確的時(shí)鐘 同步。近年來，基于RSS的無線定位方法引起了研究人員的廣泛關(guān)注，因?yàn)镽SS可W由大部 分無線設(shè)備提供，不需要額外增加硬件設(shè)備就可W擴(kuò)展到現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)中。
[0003] 傳統(tǒng)的基于RSS的定位方法大概分成兩類；基于測(cè)距的定位方法W及無需測(cè)距的 定位方法。基于測(cè)距的定位方法首先需要根據(jù)路徑損耗模型計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)到錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的距 離，然后根據(jù)多邊定位法比如非線性最小二乘法（化巧和線性最小二乘法（化巧等來估計(jì) 未知節(jié)點(diǎn)的位置。由于RSS易受多徑衰落、陰影衰落W及天線不規(guī)則方向圖的影響，基于測(cè) 距的定位方法的定位精度很差，通常情況下室內(nèi)的節(jié)點(diǎn)定位精度為米級(jí)。無需測(cè)距的定位 方法是將采集的RSS數(shù)據(jù)和事先建立的RSS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模式匹配。但是該種方法需要耗費(fèi) 大量的人力去事先建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，并且當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，RSS數(shù)據(jù)庫需要立即更新。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種利用鏈路的陰影衰落來定位未知節(jié)點(diǎn) 的方法。當(dāng)障礙物位于無線鏈路上時(shí)，鏈路會(huì)發(fā)生陰影衰落，導(dǎo)致該鏈路的RSS值產(chǎn)生很大 的衰減，通?？蒞達(dá)到5-10地。由于陰影衰落發(fā)生時(shí)，障礙物位于鏈路上，因此鏈路的陰影 衰落能夠提供未知節(jié)點(diǎn)的方向信息。本發(fā)明基于該種思想來實(shí)現(xiàn)位置未知節(jié)點(diǎn)的定位。首 先我們讓一個(gè)障礙物在錯(cuò)節(jié)點(diǎn)陣列和未知節(jié)點(diǎn)之間按照預(yù)先設(shè)定的軌跡勻速運(yùn)動(dòng)。該樣由 錯(cuò)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線鏈路會(huì)先后被障礙物遮擋，從而引起該些鏈路的陰影衰落。 然后通過陰影衰落估計(jì)出該些鏈路被遮擋物穿越的時(shí)間。最后利用鏈路穿越時(shí)間通過最小 二乘算法（L巧獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明基于陰影衰落的定位方法的定位精度 相比于其他無線定位方法有很大程度的提高。
[0005] 本發(fā)明所述的基于陰影衰落的節(jié)點(diǎn)定位方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟一：配置錯(cuò)節(jié)點(diǎn)陣列：
[0007] 將工作在相同頻段且支持相同通信協(xié)議的L個(gè)錯(cuò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成錯(cuò)節(jié)點(diǎn)陣列且L> 2， 將錯(cuò)節(jié)點(diǎn)陣列、1個(gè)基站節(jié)點(diǎn)W及1個(gè)位置未知節(jié)點(diǎn)放置在一個(gè)2維xoy平面內(nèi)，并且該些 節(jié)點(diǎn)具有相同的物理結(jié)構(gòu)；構(gòu)成錯(cuò)節(jié)點(diǎn)陣列的L個(gè)錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，分別為（XI，yi) T，1G{1，2,. . .，L}，未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)記為（X，y)T;L個(gè)錯(cuò)節(jié)點(diǎn)和該位置未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成L條無 線鏈路；基站節(jié)點(diǎn)距離錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)小于錯(cuò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離；
[0008] 所述待測(cè)的位置未知節(jié)點(diǎn)每次測(cè)量過程中只能有一個(gè)位置，且該位置未知節(jié)點(diǎn)周 期性的發(fā)送無線信號(hào)給錯(cuò)節(jié)點(diǎn)，錯(cuò)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)后測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度即RSS值并將測(cè)量的 RSS值發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)將接收到的RSS值傳送到與其相連的本地計(jì)算機(jī)中；并執(zhí) 行從步驟二開始的如下操作；
[0009] 步驟二：對(duì)錯(cuò)節(jié)點(diǎn)與位置未知節(jié)點(diǎn)之間的每一條鏈路1，獲得每時(shí)刻由于障礙物 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的各鏈路的RSS值的變化量；方法如下：
[0010] 步驟2. 1 ;獲得沒有障礙物時(shí)鏈路1的RSS值ri;
[0011] 步驟2. 2 ;令xoy平面中，錯(cuò)節(jié)點(diǎn)陣列兩側(cè)的平面分別為左半平面和右半平面，分 別在左半平面上設(shè)定障礙物的預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡一，在右半平面上設(shè)定障礙物的預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡 二，確保所有錯(cuò)節(jié)點(diǎn)都在運(yùn)動(dòng)軌跡一的右側(cè)，在運(yùn)動(dòng)軌跡二的左側(cè)，即所有錯(cuò)節(jié)點(diǎn)都位于左 半平面和右半平面之間；障礙物軌跡應(yīng)該保證至少有一部分位于未知節(jié)點(diǎn)和錯(cuò)節(jié)點(diǎn)之間；
[0012] 步驟2. 3 ;障礙物分別按運(yùn)動(dòng)軌跡一和運(yùn)動(dòng)軌跡二運(yùn)動(dòng)，獲得t，t= (1，2, ...，N} 時(shí)刻鏈路1的RSS值貨，i= 1，2,即當(dāng)i= 1時(shí)，貨表示障礙物在左半平面按照運(yùn)動(dòng)軌跡 一運(yùn)動(dòng)時(shí)t時(shí)刻鏈路1的RSS值，當(dāng)i= 2時(shí)，表示障礙物在右半平面按照運(yùn)動(dòng)軌跡二 運(yùn)動(dòng)時(shí)t時(shí)刻鏈路1的RSS值，其中N是測(cè)量所需離散時(shí)間點(diǎn)的總數(shù)，即記錄的次數(shù)，其取 值與系統(tǒng)采樣率有關(guān)，采樣率應(yīng)保證能跟上障礙物的運(yùn)動(dòng)速度；
[001引步驟2. 4 ;獲得t時(shí)刻鏈路1的RSS值的變化量；
[0014] 障礙物分別在左半平面和右半平面沿預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到t時(shí)刻鏈路1 的RSS的變化量心皆為；
[0015]
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在于，包含如下步驟： 步驟一：配置錨節(jié)點(diǎn)陣列： 將工作在相同頻段且支持相同通信協(xié)議的L個(gè)錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成錨節(jié)點(diǎn)陣列且L多2,將錨 節(jié)點(diǎn)陣列、1個(gè)基站節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)位置未知節(jié)點(diǎn)放置在一個(gè)2維xoy平面內(nèi)，并且這些節(jié) 點(diǎn)具有相同的物理結(jié)構(gòu)；構(gòu)成錨節(jié)點(diǎn)陣列的L個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，分別為（ Xl，yi) T，I e {1，2, . . .，L}，未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)記為（X，y)T;L個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和該位置未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成L條無 線鏈路；基站節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)的距離應(yīng)小于錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離； 所述待測(cè)的位置未知節(jié)點(diǎn)每次測(cè)量過程中只能有一個(gè)位置，且該位置未知節(jié)點(diǎn)周期性 的發(fā)送無線信號(hào)給錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)后測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度即RSS值并將測(cè)量的RSS 值發(fā)送到基站節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)將接收到的RSS值傳送到與其相連的本地計(jì)算機(jī)中；并執(zhí)行 從步驟二開始的如下操作； 步驟二：對(duì)錨節(jié)點(diǎn)與位置未知節(jié)點(diǎn)之間的每一條鏈路1，獲得每時(shí)刻由于障礙物運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致的各鏈路的RSS值的變化量：方法如下： 步驟2. 1 :獲得沒有障礙物時(shí)鏈路1的RSS值可； 步驟2. 2 :令xoy平面中，錨節(jié)點(diǎn)陣列兩側(cè)的平面分別為左半平面和右半平面，分別在 左半平面上設(shè)定障礙物的預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡一，在右半平面上設(shè)定障礙物的預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡二， 確保所有銷節(jié)點(diǎn)都在運(yùn)動(dòng)軌跡一的右側(cè)，在運(yùn)動(dòng)軌跡二的左側(cè)，即所有銷節(jié)點(diǎn)都位于左半 平面和右半平面之間；障礙物軌跡應(yīng)該保證至少有一部分位于未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間； 步驟2. 3 :障礙物分別按運(yùn)動(dòng)軌跡一和運(yùn)動(dòng)軌跡二運(yùn)動(dòng)，獲得t，t = {1，2, ...，N}時(shí)刻 鏈路1的RSS值#>，i = 1，2,即當(dāng)i = 1時(shí)，表示障礙物在左半平面按照運(yùn)動(dòng)軌跡一運(yùn) 動(dòng)時(shí)t時(shí)刻鏈路1的RSS值，當(dāng)i = 2時(shí)，表示障礙物在右半平面按照運(yùn)動(dòng)軌跡二運(yùn)動(dòng) 時(shí)t時(shí)刻鏈路1的RSS值，其中N是測(cè)量所需離散時(shí)間點(diǎn)的總數(shù)，即記錄的次數(shù)，其取值與 系統(tǒng)采樣率有關(guān)，采樣率應(yīng)保證能跟上障礙物的運(yùn)動(dòng)速度； 步驟2. 4 :獲得t時(shí)刻鏈路1的RSS值的變化量： 障礙物分別在左半平面和右半平面沿預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到t時(shí)刻鏈路1的RSS 的變化量為： 當(dāng)i = 1時(shí)，表示t時(shí)刻障礙物按照運(yùn)動(dòng)軌跡一運(yùn)動(dòng)時(shí)鏈路1的RSS的變化量； 當(dāng)i = 2時(shí)，Δ#1表示t時(shí)刻障礙物按照運(yùn)動(dòng)軌跡二運(yùn)動(dòng)時(shí)鏈路1的RSS的變化量； 由于障礙物有一定的體積，因此障礙物遮擋鏈路有一定的持續(xù)時(shí)間； 當(dāng)障礙物遮擋鏈路1的持續(xù)時(shí)間的離散值w是奇數(shù)時(shí)，障礙物遮擋鏈路1的持續(xù)時(shí)間 的離散表示方式是時(shí)間段 當(dāng)障礙物遮擋鏈路1的持續(xù)時(shí)間的離散值W是偶數(shù)時(shí)，障礙物遮擋鏈路1的持續(xù)時(shí)間 的離散表示方式是時(shí)間段
其中f為鏈路1被障礙物穿越的時(shí)刻，即在該時(shí)刻障礙物的中心正好位于錨節(jié)點(diǎn) (X1, Y1)' I e {1，2,...，L}和未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的鏈路1上，當(dāng)i = 1時(shí)，（(1)表示障礙物在左半 平面按照運(yùn)動(dòng)軌跡一運(yùn)動(dòng)時(shí)鏈路1被障礙物中心穿越的時(shí)刻，當(dāng)i = 2時(shí)，1表示障礙物 在右半平面按照運(yùn)動(dòng)軌跡二運(yùn)動(dòng)時(shí)鏈路1被障礙物中心穿越的時(shí)刻； 步驟三：獲得能夠確定障礙物遮擋鏈路1的持續(xù)時(shí)間的離散值w ; 能夠確定障礙物遮擋鏈路持續(xù)時(shí)長的w取為：
其中符號(hào)L」:表示對(duì)數(shù)據(jù)向下取整，R表示障礙物的半徑；V = (vx，vy)T是障礙物的運(yùn) 動(dòng)速度，其中\(zhòng)和V，別為障礙物在X方向和y方向上的分速度，|v|-^/v；+v；，At為RSS 的測(cè)量周期，即采樣時(shí)間間隔； 步驟四：障礙物分別在左半平面和右半平面沿預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡一和運(yùn)動(dòng)軌跡二運(yùn)動(dòng) 時(shí)，估計(jì)障礙物中心穿越鏈路1的時(shí)刻; 假設(shè)每條鏈路在不同時(shí)刻的RSS變化量是相互獨(dú)立的，則障礙物穿越鏈路1的時(shí)刻的 最大似然估計(jì)為：
即估計(jì)的結(jié)果^來自于使得似然函數(shù)取得最大值的那個(gè)時(shí)刻； 步驟五：根據(jù)步驟四的結(jié)果ζ(?)，確定位置未知節(jié)點(diǎn)所在的半平面：
I = 1時(shí)表示位置未知節(jié)點(diǎn)位于左半平面，I = 2時(shí)表示位置未知節(jié)點(diǎn)位于右半平面； 步驟六：利用最小二乘算法定位節(jié)點(diǎn)； 當(dāng)鏈路1被障礙物遮擋時(shí)，障礙物的中心位于錨節(jié)點(diǎn)和位置未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的鏈路1直 線上，即在f/n時(shí)刻障礙物的中心坐標(biāo)應(yīng)該滿足鏈路1的直線方程，考慮到由錨節(jié)點(diǎn)和未知 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的L條無線鏈路，有：
其中(今,，冷,)，，=I，2，·』是f廣時(shí)刻障礙物中心的坐標(biāo)，（X/, V/)r，/ e {1,2，... 是錨節(jié) 點(diǎn)坐標(biāo)；根據(jù)最小二乘算法得到位置未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì)為：
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在 于，步驟1所述錨節(jié)點(diǎn)等間距的放置在一條直線上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在 于，步驟1所述錨節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)以及未知位置節(jié)點(diǎn)均支持IEEE802. 14. 5協(xié)議。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在 于，步驟2. 2中，障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡一或運(yùn)動(dòng)軌跡二是直線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在 于，所述障礙物是按照預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)的人。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在 于，障礙物采用圓柱體模型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其特征在 于，步驟1所述錨節(jié)點(diǎn)、基站節(jié)點(diǎn)以及未知位置節(jié)點(diǎn)采用TICC2530節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)工作在 2. 4GHz的ISM頻段并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安裝有全向天線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于陰影衰落的無線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法。屬于無線網(wǎng)絡(luò)中的無線定位技術(shù)領(lǐng)域。令障礙物在錨節(jié)點(diǎn)陣列和位置未知節(jié)點(diǎn)之間按照預(yù)先設(shè)定的軌跡勻速運(yùn)動(dòng)，由錨節(jié)點(diǎn)和位置未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線鏈路會(huì)先后被障礙物遮擋，從而引起這些鏈路的陰影衰落，通過陰影衰落估計(jì)出這些鏈路被障礙物穿越的時(shí)間，利用鏈路穿越時(shí)間通過最小二乘算法獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。本方法和其他定位方法相比能夠提高定位精度，能夠使用現(xiàn)在廣泛分布的無線信號(hào)來定位能夠發(fā)送無線信號(hào)的終端。
【IPC分類】H04W64-00
【公開號(hào)】CN104837199
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510276049
【發(fā)明人】劉珩, 王正歡, 倪亞萍, 許勝新, 安建平, 卜祥元, 辛怡
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月26日