基于RSSI和LQI的分段距離估計(jì)改進(jìn)算法

臧建魁，卿粼波，何小海，廖亞風(fēng)

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院圖像信息研究所，四川 成都 610064)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們對(duì)定位的要求日益強(qiáng)烈，尤其是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如倉(cāng)庫(kù)、礦井、地下室等環(huán)境。通過現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)無(wú)法滿足需求，基于 IEEE 802.15.4的 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）定位技術(shù)可有效地彌補(bǔ)全球定位系統(tǒng)難以應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境的弊端。節(jié)點(diǎn)的定位算法是WSN的重要技術(shù)之一，根據(jù)定位過程中是否測(cè)量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的物理關(guān)系，可以把定位算法分為：基于距離和距離無(wú)關(guān)定位算法兩大類[1]?；诰嚯x的定位算法由于計(jì)算簡(jiǎn)單對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件要求低，所以被廣泛使用，其中最為常用的是基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI，Received Signal Strength Indicator, RSSI）的定位。理論上通過3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSSI信息就可用三邊測(cè)量法計(jì)算出一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的位置[2]。

這里在充分研究現(xiàn)有 RSSI距離估計(jì)算法的基礎(chǔ)上,加入了鏈路質(zhì)量（LQI，Link Quality Indication），并利用現(xiàn)有的ZigBee硬件平臺(tái)，通過對(duì)無(wú)線電傳播路徑損耗模型的分析,提出了一種硬件要求低、資源開銷小、適合傳感器節(jié)點(diǎn)處理的RSSI和LQI的分段距離估計(jì)改進(jìn)算法, 提高了基于RSSI的三邊定位算法所需的距離估計(jì)精度。

1 基于RSSI距離估計(jì)算法原理及缺陷

1.1 RSSI距離估計(jì)算法原理[3]

RSSI是收發(fā)信號(hào)者之間的信號(hào)傳播損耗和距離的函數(shù)，接收信號(hào)隨著距離的增加而減小。RSSI與距離d的理論關(guān)系式可用式（1）表示：

其中 n為信號(hào)傳播因子，數(shù)值大小取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境，A為信號(hào)傳輸1米時(shí)的接收信號(hào)功率。

在已知的環(huán)境下信號(hào)傳播因子n是確定的常數(shù)，可根據(jù)已知環(huán)境中測(cè)量的RSSI與d通過式（1）計(jì)算得到。為了避免單次計(jì)算帶來(lái)的誤差，可計(jì)算不同距離的n值并取其平均值。計(jì)算出傳播常量n和實(shí)測(cè)A后，便可建立起現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的信號(hào)傳播衰減模型，對(duì)于未知定位節(jié)點(diǎn)只需測(cè)得其到已知的信號(hào)發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的RSSI就可計(jì)算出兩者之間的距離。

1.2 RSSI距離估計(jì)算法的缺陷

RSSI距離估計(jì)算法計(jì)算簡(jiǎn)單，僅根據(jù)無(wú)線信道傳播模型就可以計(jì)算距離,再通過一定的算法可使定位達(dá)到相當(dāng)?shù)木取５捎谑褂弥惺艿綄?shí)際環(huán)境的影響, 在距離不變的情況下收集到的信號(hào)衰減是起伏變化的。根據(jù)式（1）可以看到信號(hào)的衰減與距離成對(duì)數(shù)衰減的關(guān)系，接收信號(hào)的較小變化可帶來(lái)距離的較大誤差，因此單一通過RSSI計(jì)算出的距離與實(shí)際距離是存在較大誤差的。

2 基于RSSI和LQI的分段距離估計(jì)算法

2.1 RSSI 和LQI的關(guān)系

RSSI為信號(hào)強(qiáng)度指示，是真實(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度與最優(yōu)接收功率等級(jí)間的差值。LQI是鏈路質(zhì)量的指示，表征接收數(shù)據(jù)幀的能量與質(zhì)量，其大小決定于基于信號(hào)強(qiáng)度以及檢測(cè)到的信噪比，由ZigBee協(xié)議的媒體訪問控制層計(jì)算得到并提供給上一層，一般與正確接收到的數(shù)據(jù)幀的概率有關(guān)[4]。

在ZigBee協(xié)議棧中RSSI值和LQI值在收發(fā)模塊每接收一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)都可以得到，LQI與RSSI的關(guān)系可用式(2)[5]表示：

LQI的動(dòng)態(tài)范圍為0～255，其范圍比RSSI的大，使得它有更高的分辨率。所以把通過 LQI 值計(jì)算的 RSSI（記作 RSSIL）融入距離估計(jì)算法將比只通過RSSI（記作RSSID） 距離估計(jì)算法在精度上有進(jìn)一步的提升。

2.2 RSSI 和LQI的分段距離估計(jì)算法

對(duì)于給定的環(huán)境空間，測(cè)得室內(nèi)走廊和室外操場(chǎng)2種實(shí)際環(huán)境的RSSID和LQI的衰落曲線如圖1和圖2所示。

圖1 RSSI實(shí)測(cè)衰落曲線

從圖1中可以觀察到，RSSID在10米以內(nèi)衰減曲線起伏較大，當(dāng)距離加大時(shí)衰減曲線就比較平穩(wěn)，而圖2中的LQI的衰減曲線正好相反，在10米以內(nèi)波動(dòng)范圍較小，當(dāng)距離加大時(shí)振蕩也加大了，因此在計(jì)算中以10米為分界，對(duì)于小于10米的距離采用式（2）計(jì)算出的RSSIL，對(duì)于大于10米的距離采用直接測(cè)得的RSSID，這樣分段復(fù)合后就能夠得到更精準(zhǔn)的RSSI，從而計(jì)算出更準(zhǔn)確的距離。經(jīng)過分段復(fù)合的衰落曲線如圖3所示。

圖2 LQI實(shí)測(cè)衰落曲線

圖3 分段復(fù)合RSSI衰落曲線

從圖3可以看出，分段復(fù)合RSSI衰落曲線比圖1、圖2中每種環(huán)境的單獨(dú)衰落曲線變的更加平緩。

該算法的關(guān)鍵步驟如下：

①采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中距離已知節(jié)點(diǎn)距離為1的精確RSSI值，得到無(wú)線信道模型中的A值。

②采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中距離已知節(jié)點(diǎn)距離為10米精確RSSI值，得到精準(zhǔn)的RSSI10。

③采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的距離與RSSI的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，并計(jì)算出信號(hào)傳播因子n，建立無(wú)線信道模型。

④對(duì)未知節(jié)點(diǎn)采集多次RSSID和LQI并計(jì)算均值，將RSSID與精準(zhǔn)的RSSI10值對(duì)比，當(dāng)RSSID＜RSSI10時(shí),直接通過無(wú)線信道模型使用RSSID估算距離，當(dāng)RSSID＞RSSI10時(shí)，使用LQI計(jì)算的RSSIL估算距離。

3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)使用 ZigBee開發(fā)套件分別在室內(nèi)走廊和室外操場(chǎng)2種實(shí)際環(huán)境中完成固定節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的通訊及RSSI和LQI的采集。對(duì)10米以內(nèi)的距離每隔1米采集100次RSSID和LQI，對(duì)10米到40米的距離每隔10米采集100次RSSID和LQI。通過采集到的RSSID和LQI計(jì)算信道模型中的n及A，從而得到RSSI與距離的關(guān)系。再對(duì)隨機(jī)的7個(gè)點(diǎn)測(cè)量RSSID和LQI，根據(jù)不同的算法計(jì)算距離并與實(shí)際距離對(duì)比。

表1、表2中對(duì)比了通過RSSI、LQI和分段RSSI 3種算法的精度。

表1 隨機(jī)距離誤差分析

表1 平均誤差分析

從表1可以看到，在室內(nèi)走廊環(huán)境中，單獨(dú)通過RSSID計(jì)算出的距離相對(duì)平均誤差達(dá)到了14.4%，引進(jìn)LQI的分段復(fù)合距離估計(jì)算法計(jì)算的距離相對(duì)誤差為10.8%；在室外操場(chǎng)環(huán)境中，單獨(dú)通過RSSID計(jì)算出的距離相對(duì)平均誤差達(dá)到了11.4%，而引進(jìn)LQI后的分段復(fù)合距離估計(jì)算法計(jì)算的距離相對(duì)誤差為9.2%，室內(nèi)和室外環(huán)境計(jì)算出的距離與實(shí)際距離的相對(duì)誤差分別提高了3.8%和2.2%。同時(shí)可以看出，采用新算法后的室內(nèi)和室外距離的相對(duì)誤差波動(dòng)范圍得到減小，環(huán)境干擾的影響得到降低。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合目前RSSI定位存在的問題，對(duì)RSSI距離估計(jì)算法進(jìn)行了改進(jìn)。在原算法的基礎(chǔ)上引入了LQI計(jì)算的RSSI進(jìn)行分段距離估計(jì)，使得計(jì)算出的距離更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于RSSI和LQI的分段復(fù)合距離估計(jì)算法與原算法相比，計(jì)算的距離更精準(zhǔn)，相對(duì)誤差波動(dòng)范圍更小，可降低環(huán)境對(duì)距離計(jì)算的干擾。

[1] 陳昌祥，達(dá)維，周潔.基于 RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)距離修正定位算法[J].通信技術(shù)，2011,44(02）:65-66.

[2] 安葳鵬，沈志廣, 潘亞鋒.基于RSSI的高精度實(shí)時(shí)室內(nèi)人員跟蹤定位的改進(jìn)[J].傳感器與微系統(tǒng) ,2010,29(06):89-91.

[3] 馮成旭，劉忠，程遠(yuǎn)國(guó).一種基于RSSI的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)定位算法[J].船舶電子工程，2010(10):69-71.

[4] 黃天祥，王敬東, 李鵬.基于LQI和RSSI改進(jìn)的DV 2Hop定位算法[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化 ,2009(01):76-80

[5] Texas Instruments. CC2430 Datasheet [EB/OL].(2007-06-06)[2011-03-05]. http://www.ti.com.