基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法研究

王棟

（西安翻譯學(xué)院 陜西 710105）

0 前言

目前在無線網(wǎng)絡(luò)傳感器研究領(lǐng)域中，目標(biāo)定位和跟蹤系統(tǒng)是主要的研究對象，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。目標(biāo)定位主要是對某一時刻的無線傳感器中監(jiān)測的對象能夠進(jìn)行空間定位，目前在研究過程中主要對聲信號進(jìn)行測量并確定目標(biāo)定位。其中聲目標(biāo)定位主要分為三種，一種是時差定位，一種是波達(dá)方向定位，另一種是接受到的能量定位。時差定位主要是通過傳感器的節(jié)點(diǎn)接受信號，然后根據(jù)接受到的信號進(jìn)行估計定位。波達(dá)方向定位主要是根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)接受信號時到達(dá)方位角的不同，然后根據(jù)信號估計定位。能量定位主要依據(jù)的是大量的計算和通信方式來實(shí)現(xiàn)定位，但是一般不適合用于低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此本文主要探討的是傳感器測量到的聲信號目標(biāo)定位的實(shí)現(xiàn)。

1 基于能量的目標(biāo)定位方法

目前隨著社會科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器目標(biāo)定位主要是基于聲音能量信號的估計定位，一般最近點(diǎn)的就是定位計算法。聲音能量目標(biāo)定位算法是將無線傳感器中得到的聲目標(biāo)讀數(shù)為最大值，并將這個最大值作為目標(biāo)源的位置。聲音能量目標(biāo)定位算法研究中一般只會用到一個節(jié)點(diǎn)的信息，往往會存在著較大的誤差，不過極大似然定位方法能夠?qū)崿F(xiàn)其高精度的定位，但是參數(shù)的影響會使得定位的穩(wěn)定性受到較大的影響，非線性的最小二乘法同樣也存在與極大似然計算法的問題。因此為了進(jìn)一步的提高目標(biāo)定位的計算精度，本文將極大似然法作出了進(jìn)一步的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的有效性。

1.1 聲音能量模型

聲音能量模型的建立主要是聲音信號在傳播過程中聲音的強(qiáng)弱以及傳播的距離之間的關(guān)系模型，能量目標(biāo)的定位方法是建立在聲音能量模型的基礎(chǔ)上對傳感器節(jié)點(diǎn)接受到的信號能量進(jìn)行計算，然后估計目標(biāo)源的位置。因此在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置時可以建立一個聲音能量模型，然后假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)，將其組成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后測量某一位置聲音信號的能量。

1.2 基于極大似然估計定位的方法分析

在計算目標(biāo)定位時可以以已知信號能量模型為基礎(chǔ)，采用極大似然的方法進(jìn)行計算并求解。由此可以得到矩陣形式為Z=GDS+ξ=HS+ξ，然后采用似然函數(shù)f(Z/θ)達(dá)到最大值θ值 ，最后等價求出L(θ)ⅡZ-HSⅡ2達(dá)到最小值 。L(θ)ⅡZ-HSⅡ2是一個非線性二次方程式，在求解的過程中需要采用二次最優(yōu)化方法。而且這種方法在多目標(biāo)計算求解的過程中可以在定位精度不受影響的情況下，可以起到減少計算量的作用。

2 最優(yōu)化極大似然定位方法的分析

關(guān)于基于無線傳感器目標(biāo)定位計算方法的研究中，有外國學(xué)者提出了最優(yōu)化極大似然定位的方法。最優(yōu)化極大似然估計其公式表達(dá)如，θ=argmax{-E[logp(Z/θ)]}。其中 E[logp(Z/θ)是對數(shù)似然函數(shù)的期望值的計算，而且這個公式是漸進(jìn)有效的，所以當(dāng)觀察的數(shù)據(jù)越多，趨于實(shí)際分布所期望的對數(shù)似然就會越高。進(jìn)一步說明了極大似然的計算方法在計算目標(biāo)定位時能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的估計，實(shí)際分布如果能夠得出實(shí)際求解值，E[logp(Z/θ)就能得到相應(yīng)的計算值，也就能得到公式所表達(dá)的最優(yōu)化最大似然估計量。但是如果在有限的樣本上找出實(shí)際分布式行不通的，因此在計算的過程中可以以使平方和偏差最小化原則為基礎(chǔ)，然后通過似然函數(shù)得出一個特定值?；谧顑?yōu)化極大似然估計的定位方法實(shí)際是將最優(yōu)化極大似然應(yīng)用到聲音信號能量模型中，然后根據(jù)似然函數(shù)的實(shí)際分布最佳近似分布得出最后的矩陣形式為S=HZ。采用最優(yōu)化似然的計算方法能夠在準(zhǔn)則下得到最優(yōu)解θ，也就得到了相應(yīng)的目標(biāo)位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述研究探討中有提到最大似然算法和非線性最小二乘法以及聲音能量計算方法，似然計算方法進(jìn)行仿真計算，然后將幾種計算方法的性能進(jìn)行比較。并將N個傳感器節(jié)點(diǎn)分布在一個100mx100m的區(qū)域中，根據(jù)有公式可以得到設(shè)定目標(biāo)源的能量為S=5000。在仿真實(shí)驗(yàn)研究和分析的過程中需要將最近點(diǎn)定位計算方法，極大似然定位方法和非線性最小二乘定位法以及最優(yōu)化極大似然定位方法的結(jié)果進(jìn)行了2000次的計算。在計算的過程中每次都會得到一個定位估計和估計誤差值，然后將得到的誤差值進(jìn)行和協(xié)方差。如下表所示各計算方法的誤差均值以及和協(xié)方差：

從表中具體的數(shù)據(jù)顯示可以看出隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，其定位計算方法得出的誤差均值也在相應(yīng)的減少。從中也可以出最優(yōu)化極大似然定位計算方法要比其他的三種計算方法得出的誤差均值小，而且其目標(biāo)定位精度也比其他三種計算方法更加準(zhǔn)確。為了進(jìn)一步的證明最優(yōu)極大似然定位計算方法性能的穩(wěn)定性和高精確度，有關(guān)研究人員對關(guān)于估計位置與實(shí)際位置距離差，其中以5米為一個單位呈現(xiàn)遞增的趨勢進(jìn)行了研究和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最優(yōu)極大似然定位計算方法在目標(biāo)定位應(yīng)用中具有一定的可靠性和有效性。

關(guān)于無線傳感器目標(biāo)定位的計算方法還有很多種，同樣有一種方法是在二維空間中對聲源的進(jìn)行定位，定位的結(jié)果是定位的目標(biāo)對象相對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離和角度。一般在對聲源進(jìn)行定位時需要在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中選取至少三個節(jié)點(diǎn)數(shù)，然后以定位的目標(biāo)對象相對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離和角度為基礎(chǔ)進(jìn)行三維空間的推廣計算。當(dāng)然也可以從無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)中選取2個節(jié)點(diǎn)對聲源的曲線情況進(jìn)行確定，在計算過程中如果能夠得到兩條以上的曲線基本上定位目標(biāo)的位置已經(jīng)確定。關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法還有很多需要根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)做出進(jìn)一步的研究，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的穩(wěn)定性和有效性。

結(jié)束語

在上述研究分析過程中最優(yōu)極大似然的目標(biāo)定位計算方法得出的定位定都具有一定的可靠性和有效性，并實(shí)現(xiàn)了其性能的穩(wěn)定性。最優(yōu)極大似然目標(biāo)定位法是在極大似然定位法的基礎(chǔ)上提出的，這種定位計算得出的結(jié)果其誤差要比其他三種計算方法得出的誤差要小，而且精度高，定位性能具有一定的穩(wěn)定性特點(diǎn)。最優(yōu)極大似然在上述研究過程中主要是對單目標(biāo)進(jìn)行定位，并得到了最佳的效果，但是關(guān)于多目標(biāo)定位還需要作出進(jìn)一步的研究。

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