一種基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于高斯模型的無 線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的成熟與發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到較大發(fā) 展，在國防、農(nóng)田管理、環(huán)境檢測等眾多領(lǐng)域都有著重大的應(yīng)用，而傳感器節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù) 目前越來越受到各個(gè)行業(yè)的青睞。
[0003] 近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)常用的定位方法包括基于距離和距離無關(guān)的定位算法。利 用這些傳統(tǒng)算法將已定位的未知節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通用算法模型，因存在環(huán)境影響誤差 和定位疊加誤差，已經(jīng)不能滿足精確定位的要求。
[0004] 從定位方法上來講，上述方法或多或少的改進(jìn)定位的準(zhǔn)確度，但是上述方法由于 存在各種誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，也顯露出了弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位 方法，使得定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種基于高斯模型的無線傳感 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位方法，包括以下步驟：
[0007] (1)利用無線信號(hào)傳播損耗模型作為通用模型；
[0008] (2)優(yōu)化定位算法，利用高斯模型排除小概率事件；
[0009] (3)優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；
[0010 ] (4)根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0011] (5)根據(jù)坐標(biāo)獲取定位信息。
[0012] 所述步驟(1)中無線信號(hào)傳播損耗模型為
. 其中，Pr(d)[dBm]為接收信號(hào)強(qiáng)度，P〇(d〇)[dBm]是已知距發(fā)射機(jī)do處的參考信號(hào)強(qiáng)度，叫是 路徑衰減系數(shù)，Xo是由遮蔽效應(yīng)引起的服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，d為到發(fā)送機(jī)的距離。
[0013] 所述步驟(2)中高斯模型排除小概率事件的模型為，其中， 。2為方差，X1為定位點(diǎn)，μ為數(shù)學(xué)期望，η為節(jié)點(diǎn)數(shù)，m均值。
[0014] 所述步驟(3)具體為:確定原始信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息為X1=D, ···，0];確定全部由已知 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位的未知節(jié)點(diǎn)信息為Xj = [I，…，1];在定位過程中，有部分被定為的未知節(jié)點(diǎn) 也作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，全部以這種節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的未知節(jié)點(diǎn)信息為L = [2，···， 2];存在未知節(jié)點(diǎn)的信息為Xj= ["4,-2,-1,-2,…]。
[0015] 所述步驟(4)中利用最大似然估計(jì)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。
[0016] 所述步驟(5)中通過確定各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍疊加區(qū)域的交點(diǎn)以此來確定未知節(jié) 點(diǎn)的定位信息。
[0017] 有益效果
[0018] 由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果:本發(fā)明利用了高斯模型數(shù)據(jù)處理原則，選取高概率發(fā)生區(qū)的RSSI值，優(yōu)化已定位未知節(jié) 點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并對相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋的重疊區(qū)域進(jìn)行質(zhì)心平均，從而進(jìn)一步減小 定位誤差，以使得定位精度更高，而且其抗干擾能力好，有效的排除了小概率事件的誤差， 可以在實(shí)際森林防火等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019] 圖1是優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)示意圖；
[0020] 圖2是質(zhì)心平均不意圖；
[0021] 圖3是定位誤差對比曲線圖；
[0022] 圖4是采用通用算法的定位誤差圖；
[0023] 圖5是采用本發(fā)明的定位誤差圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0025] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位方法，算法利 用了高斯模型數(shù)據(jù)處理原則，選取高概率發(fā)生區(qū)的RSSI值(Received Signal Strength Indication接收信號(hào)強(qiáng)度指示），優(yōu)化已定位未知節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并對相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信 號(hào)覆蓋的重疊區(qū)域進(jìn)行質(zhì)心平均，進(jìn)一步減小定位誤差。具體步驟如下：
[0026] 步驟1:確定算法模型，利用無線信號(hào)傳播損耗模型作為通用模型；
[0027]無線信號(hào)傳播的損耗模型如下：
[0028] 在自由空間中，接收信號(hào)強(qiáng)度Pr(d)與到發(fā)送機(jī)的距離d的平方成反比，有如下公 式，
[0029]
[0030] 式中，Pt是發(fā)射功率，Gt是發(fā)射天線增益，Gr是接收天線增益，λ是發(fā)射信號(hào)的波長。
[0031] 上述描述的是在自由空間中的情況，是一種理想的情況。在實(shí)際環(huán)境中，信號(hào)傳播 受到反射、散射、衍射的影響，這些影響與周圍環(huán)境相關(guān)。所以，在實(shí)際環(huán)境中采用如下經(jīng)驗(yàn) 公式：
[0032]
[0033]式中，Pr(d) [dBm]為接收信號(hào)強(qiáng)度，Po(do) [dBm]是已知距發(fā)射機(jī)do處的參考信號(hào) 強(qiáng)度，nP是路徑衰減系數(shù)，Xo是由遮蔽效應(yīng)引起的服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，d為到發(fā)送機(jī)的 距離。
[0034]步驟2:優(yōu)化定位算法，利用高斯模型排除小概率事件；
[0035] 高斯模型排除小概率事件的模型為：
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 其中，σ2為方差，X1為定位點(diǎn)，μ為數(shù)學(xué)期望，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，m均值。
[0040] 通過高斯模型分布函數(shù)確定RSSI值的選定范圍，基于RSSI的定位算法中，未知節(jié) 點(diǎn)距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離越近，其接收到的信號(hào)強(qiáng)度就越強(qiáng)，從而由信號(hào)傳播損耗得到的距 離就越準(zhǔn)確，所以根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值選取高斯模型的概率范圍為0.6到1。
[0041] 步驟3:優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；如圖1所示，具體為：確定原始信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息為X1 = [0，…，0];確定全部由已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位的未知節(jié)點(diǎn)信息為Xj = [ 1，…，1 ];在定位過程中， 有部分被定為的未知節(jié)點(diǎn)也作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，全部以這種節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的未知 節(jié)點(diǎn)信息為Xj= [2，···，2];存在未知節(jié)點(diǎn)的信息為Xj= [ - l，…2,…1，…2,…]。
[0042]步驟4:優(yōu)化定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0043]通過高斯模型排除異常點(diǎn)，優(yōu)化信標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，在利用最大似然估計(jì)計(jì)算出未知節(jié) 點(diǎn)位置坐標(biāo)，X' = (AT Ar1Ai,其中，其中，X'節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)，A為單位矩陣，b為節(jié)點(diǎn)信息。
[0044] 步驟5:獲取定位信息；質(zhì)心定位算法在實(shí)際情況下，相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信半徑范圍 并不是相交于一個(gè)點(diǎn)，而是出現(xiàn)相互疊加的區(qū)域，確定各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍疊加區(qū)域的交 點(diǎn)為11=匕'#'），確定未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)乂" =匕#)
[0045]
[0046]
[0047] 其中，N為節(jié)點(diǎn)數(shù)。
[0048] 圖2是質(zhì)心平均示意圖，圖3是定位誤差對比曲線圖；圖4是采用通用算法的定位誤 差圖；圖5是采用本發(fā)明的定位誤差圖。通過以上附圖可知，本發(fā)明與現(xiàn)有的算法相比，定位 精度更高，抗干擾能力更強(qiáng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屯、定位方法，其特征在于，包括W下步驟： (1) 利用無線信號(hào)傳播損耗模型作為通用模型； (2) 優(yōu)化定位算法，利用高斯模型排除小概率事件； (3) 優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)； (4) 根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)； (5) 根據(jù)坐標(biāo)獲取定位信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屯、定位方法，其特征在于，所 述步驟(1)中無線信號(hào)傳播損耗模型為I其中，Pr (d)[地m]為接收信號(hào)強(qiáng)度，Po(do)[地m]是已知距發(fā)射機(jī)do處的參考信號(hào)強(qiáng)度，np是路徑衰 減系數(shù)，姑是由遮蔽效應(yīng)引起的服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，d為到發(fā)送機(jī)的距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屯、定位方法，其特征在于，所 述步驟(2)中高斯模型排除小概率事件的模型為：，其中，O2為方差，Xi 為定位點(diǎn)，y為數(shù)學(xué)期望，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，m均值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屯、定位方法，其特征在于，所 述步驟(3)具體為:確定原始信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息為Xi = [0，…，O];確定全部由已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定 位的未知節(jié)點(diǎn)信息為、二[1，…，1];在定位過程中，有部分被定為的未知節(jié)點(diǎn)也作為信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)，全部W運(yùn)種節(jié)點(diǎn)作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的未知節(jié)點(diǎn)信息為、二[2,…，2];存在未知 節(jié)點(diǎn)的信息為Xj= [-4,…2,…1，…2,…]。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屯、定位方法，其特征在于，所 述步驟(4)中利用最大似然估計(jì)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)屯、定位方法，其特征在于，所 述步驟(5)中通過確定各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍疊加區(qū)域的交點(diǎn)W此來確定未知節(jié)點(diǎn)的定位信 息。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于高斯模型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)質(zhì)心定位方法，包括以下步驟：利用無線信號(hào)傳播損耗模型作為通用模型；優(yōu)化定位算法，利用高斯模型排除小概率事件；優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；根據(jù)坐標(biāo)獲取定位信息。本發(fā)明的定位精度更高，抗干擾能力更強(qiáng)。
【IPC分類】H04W64/00, H04W84/18
【公開號(hào)】CN105592548
【申請?zhí)枴緾N201610183565
【發(fā)明人】王栩浩, 周武能
【申請人】東華大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2016年3月28日