一種基于RSSI的區域重疊質心室內定位算法

石魯生　朱慧博

摘要：為提高基于無線傳感網絡的室內定位精度，分析基于測距和非測距室內定位算法的優缺點，以常規RSSI算法和質心定位算法為基礎，提出了一種基于RSSI的區域重疊質心定位算法。算法通過建立信號傳輸模型，在未知節點接收信標節點位置信息的重疊區域運用質心算法進行定位。仿真結果表明，與普通質心算法相比，該算法定位效果更加精確。

關鍵詞：無線傳感網絡；定位算法；區域重疊；質心算法；RSSI

0引言

近年來隨著微電子技術和無線通訊技術的迅猛發展，無線傳感網絡（Wireless Senor Network，WSN）的應用范圍不斷擴大，已經深入涉及了軍事偵查、醫學監控、環境監測、智能家居監控、搶險救災等廣闊領域。在室內環境下如監獄管理、煤礦開采、樓宇火災預警等，如果利用WSN可以獲取準確的位置信息，則可以發揮重要作用，具有明顯的社會和經濟效益。

目前已有的GPS和RFID定位技術，因成本較高，信號無法穿透各類障礙物等原因，在室內定位中很難獲得預期效果。在室內環境下，WSN傳輸的電子波存在大量的反射、散射和繞射現象，傳感器接收來自不同路徑的信號，產生嚴重的多徑衰落效應。原來針對室外應用而設計的WSN定位算法應用于室內環境，效果并不理想。雖然目前有多類室內WSN定位算法，但這些算法卻大多對網絡拓撲要求較高、定位精度低、通信和計算開銷都較大，難以實現低功耗、低成本的WSN室內定位。

1常見定位算法

WSN中實際部署的節點分為2類。一類是信標節點（Beacon Node），可以通過GPS或人工部署方式獲得其位置坐標；另一類是未知節點（Unknown Node），其位置坐標未知。由于受到網絡通信成本等因素的限制，網絡中位置坐標已知的信標節點一般比例較少。常見定位算法可以分為基于非測距的定位算法和基于測距的定位算法。下面將分別給出研究論述與闡析。

1.1基于非測距的定位算法

基于非測距的定位算法不需要測量未知節點和信標節點之間的距離或角度等信息，僅僅通過聯通性、能量消耗或者區域面積等信息進行節點之間的距離評估，主要適用于對定位精度要求不高的場景，典型算法有近似三角形內點測試定位算法（Approximate Point-in-triangulation Test，APIT）、距離向量定位算法（Distance Vector-Hop，DV-Hop）和質心定位算法（Centroid Location，CL）等。具體分述如下。

首先，在APIT定位算法中，信標節點會定時廣播自己的坐標信息，未知節點通過與鄰居節點相互交換接收到的信標節點定位信號強度來判斷自己是否位于信標節點組成的三角形內，將對定位產生影響的三角形篩選出來，從而估計節點可能出現的區域。APIT定位算法中，至為關鍵的一步就是測試未知節點在3個信標節點所組成的三角形內部還是外部。算法主要缺點是，基于分布上的隨機性，節點和子區域均呈現非均勻分布，易造成某些未知節點無法定位，另外在定位精度和信標節點的能耗之間也突顯出一定的矛盾制約關系。

其次，DV-Hop定位算法方法簡單、定位精度較高，可以運用于無線傳感網絡中信標節點比例相對較少的研究環境，但該算法通信量較大，并可能伴隨信息沖突、信息內爆等問題。若需優化目標節點精度要求，算法即會對網絡部署密集度和拓撲規則度提出更高要求。

第三，質心定位算法的核心思想是信標節點周期性地向相鄰的未知節點廣播自身ID和位置信息，未知節點則接收來自不同信標節點的信號，當接收信號數量超過某個特定值或持續接收固定的時間段后，就將該節點的自身位置當作所有發送信息的信標節點所構成多邊形的幾何質心，從而形成質心定位算法。該算法的優勢是對硬件沒有額外要求，計算量也不大，但其不足卻表現在定位需要較多的信標節點，且邊界節點定位困難，因此算法整體定位精度也仍然偏低。

1.2基于測距的定位算法

基于測距的定位算法，通常有較高的定位精度，需要對傳感器節點之間的距離進行測量，由此而對節點位置坐標展開估算。根據不同的測距技術，常見的算法歸納為基于信號到達時間的算法（Time of Arrival，TOA）、基于信號到達角度的算法（Angle of Arrival，AOA）、基于信號傳輸時間差的算法（Time Difference of Arrival，TDOA）和基于接收信號強度的算法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）等4種。。

其中，TOA算法需要節點間有直接通信路徑且通信滿足嚴格的時間同步；AOA算法中，節點需要天線陣列或者多個接收器等額外的硬件支持，增加了傳感器的尺寸和成本；TDOA算法定位技術精度較高，但同樣需要增加額外的硬件且測距范圍有限，一般在3～10 m之間：而RSSI算法在實際應用環境中，無需配設專用的硬件，應用成本和復雜度都較低，但卻容易受到干擾，建模較困難，在不同的室內環境中，不同材料結構、不同的室內布置、不同建筑物的尺寸等都會使無線信號強度也隨即發生變化，從而影響其定位精度。