基于接收信号强度指示的无线定位系统锚节点部署方法
【专利摘要】本发明公开一种基于接收信号强度指示(Received?Signal?Strength?Indication，RSSI)的无线定位系统锚节点部署方法。该方法综合考虑平均定位误差和信号覆盖率并对之进行联合优化，首先采用统计模型描述系统的定位误差，并将时变的信号强度参数建模为高斯分布；然后针对节点间RSSI测距时的扰动问题，基于拟合数据的残差给出有效避免扰动的阈值测距距离，根据此阈值对测距信息进行筛选，得到满足定位覆盖条件的空间点集并计算出覆盖率；最后，以平均定位误差和信号覆盖率作为联合评价标准，同时考虑锚节点的部署个数，利用线性加权和法将其转化为部署效率的单目标优化函数，并通过基于整数编码的遗传算法求解该函数，从而获得最优的锚节点部署位置，提高系统的定位性能。
【专利说明】基于接收信号强度指示的无线定位系统锚节点部署方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线定位领域的锚节点部署方法，具体讲涉及一种基于接收信号 强度指示的无线定位系统锚节点部署方法。
【背景技术】
[0002] 基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication, RSSI)的无线 定位系统以其复杂度低、布设便捷等特性，引起人们的广泛关注。RSSI定位技术主要针对 无线信号强度进行探测分析，通过将信号强度值转化为距离信息或者直接提取信号的模式 特征来进行定位估算。已知的这些定位技术的自身位置锚节点成为提高定位性能的可靠手 段，与此同时，越来越多的研究人员发现，锚节点的几何布局对系统的定位性能会有很大影 响，因此，随着RSSI定位技术的持续发展，需要提供一种合理、高效的锚节点部署方法。
[0003] 由于无线信号在普适场景下的传输对周围环境具有高度依赖性，信号的多径传输 及地面、水面、障碍物反射等因素对接收端的接收信号强度有很大影响。在实际测量中可以 发现，距发射端较远的地方，RSSI测量值会产生扰动现象，即信号强度的衰减不再遵循对数 衰减模型，而是呈随机分布趋势，随着距离的变化而不规律地跳动，且距发射端越远，RSSI 值的扰动程度越大。此时对应的RSSI定位算法，因衰减模型失效和特征分辨度降低，其定 位精度会受到极大影响。因此需要提供一种在网络规划阶段，能够有效避免RSSI扰动的锚 节点部署方法。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于接收信号强度指示的无线定 位系统锚节点部署方法，该方法综合考虑了平均定位误差和信号覆盖率两种评价定位性 能的因素，通过采用统计模型描述系统的定位误差，并针对接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication,RSSI)测距的扰动问题，基于拟合数据的残差分析给出满足 定位覆盖条件的空间点集，计算出信号覆盖率；同时考虑到锚节点的部署成本，建立反映部 署效率的联合优化函数，利用基于整数编码的遗传算法求解该优化问题，从而获得更合理 的锚节点部署位置和更好的定位性能。
[0005] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0006] 本发明提供一种基于接收信号强度指示的无线定位系统锚节点部署方法，其改进 之处在于，所述方法包括下述步骤：
[0007] 1)将接收信号强度建模为高斯分布，给出在定位区域内其条件概率的计算方式， 利用统计模型描述无线定位系统系统的平均定位误差；
[0008] 2)确定无线定位系统信号的覆盖率；
[0009] 3)分别以最小化平均定位误差和最大化信号覆盖率为优化目标，并考虑锚节点 的部署个数，建立评价无线定位系统总体定位性能的反映锚节点部署效率的联合优化函 数；；
[0010] 4)用基于整数编码的遗传算法求解步骤3)中所述联合优化函数，通过迭代式搜 索确定锚节点的部署位置。
[0011] 进一步地，所述步骤1)中，描述无线定位系统平均定位误差过程中，将探测到的 定位区域内某处的信号强度建模为高斯分布，其均值为由对数衰减模型计算的该处接收信 号强度的理论值，在统计模型中，推导出该点被误判为区域内其他点的条件概率，表示无线 定位系统的平均定位误差，这包括：
[0012] 若X是定位区域A内任意一点，则X'是该点经接收信号强度指示的无线定位系统 定位后的估计位置，用对数衰减模型表示随距离衰减的信号强度，即在X处接收到的第i个 锚节点的接收信号强度为：
[0013] Ui(x) =-10β 1log[di(x)] + ^2 (1)；
[0014] 式中，φ(χ)为x距第i个锚节点的距离，β丨为与实际定位环境有关的环境因子， β 2为参考接收信号强度；β i和β 2分别为经验数据，对预采样数据进行最小二乘拟合得到 其取值；
[0015] 将定位区域内X处的接收信号强度S建模为高斯分布：
【权利要求】
1. 一种基于接收信号强度指示的无线定位系统锚节点部署方法，其特征在于，所述方 法包括下述步骤： 1) 将接收信号强度建模为高斯分布，给出在定位区域内其条件概率的计算方式，利用 统计模型描述无线定位系统系统的平均定位误差； 2) 确定无线定位系统信号的覆盖率； 3) 分别以最小化平均定位误差和最大化信号覆盖率为优化目标，并考虑锚节点的部署 个数，建立评价无线定位系统总体定位性能的反映锚节点部署效率的联合优化函数；； 4) 用基于整数编码的遗传算法求解步骤3)中所述联合优化函数，通过迭代式搜索确 定锚节点的部署位置。
2. 如权利要求1所述的无线定位系统锚节点部署方法，其特征在于，所述步骤1)中，描 述无线定位系统平均定位误差过程中，将探测到的定位区域内某处的信号强度建模为高斯 分布，其均值为由对数衰减模型计算的该处接收信号强度的理论值，在统计模型中，推导出 该点被误判为区域内其他点的条件概率，表示无线定位系统的平均定位误差，这包括： 若X是定位区域A内任意一点，则X'是该点经接收信号强度指示的无线定位系统定位 后的估计位置，用对数衰减模型表示随距离衰减的信号强度，即在X处接收到的第i个锚节 点的接收信号强度为： Ui(x) =-10β 1log[di(x)] + ^2 (1); 式中，（Μχ)为x距第i个锚节点的距离，^为与实际定位环境有关的环境因子，β2 为参考接收信号强度；β i和β 2分别为经验数据，对预采样数据进行最小二乘拟合得到其 取值； 将定位区域内X处的接收信号强度s建模为高斯分布：
(2)； 式中为高斯分布标准差、μ为接收信号的期望强度，S表示给定期望情况下的接收 信号强度的条件概率分布； 若认为不同锚节点的接收信号强度指示RSSI测距误差是相互独立的，则在定位区域A 中，经接收信号强度指示RSSI的无线定位系统系统定位后将X点位置误判为X'的条件概 率近似表示为：
(3) ； 式中：μ i (X'）、μ i (X)分别表示X'和X点处接收到的第i个锚节点的信号强度、ξ为 表示定位区域内任意位置的积分变量； 进一步推导出整个定位区域Α的平均定位误差表达式为： (4) ； 式中，I I A| I为定位区域A的面积，E表示接收信号强度指示RSSI的无线定位系统在整 个区域内的平均定位误差。
3. 如权利要求1所述的无线定位系统锚节点部署方法，其特征在于，所述步骤2)中，确 定无线定位系统信号的覆盖率的步骤包括：残差分析预采样数据，得到阈值距离D K ;若待定 位节点与锚节点的距离小于DK，则测距时有效避免接收信号强度指示RSSI的扰动，获得信 号强度测量值；将预采样数据的拟合函数写作y(d，β )，其残差表示为： ek = yk-y(dk, β ) (5)； 式中，d为两节点间的距离，β为与环境有关的参数，dk和yk为将预采样数据按距离排 序后对应的第k组数据；设定小于0. 5的常量γ，累积残差满足：
(6)； 式中，k'的最小值所对应的距离即为阈值距离DK;在网络规划过程中，待定位节点在定 位区域内任一点处接收各锚节点的接收信号强度指示RSSI数据形成测距集，根据阈值距 离DK对集合中的元素进行筛选，若测距值小于 y (DK，β )，则将其从集合中删去，若集合中剩 余元素的个数不小于3,则认为该点满足定位覆盖条件，区域内满足条件的点所占的比率即 为无线定位系统的信号覆盖率C。
4. 如权利要求1所述的无线定位系统锚节点部署方法，其特征在于，所述步骤3)中，建 立反映锚节点部署效率的联合优化函数的步骤包括： 结合锚节点的部署成本，引入部署位置个数η，用线性加权和法得到优化目标联合优化 函数： Φ = (C+a/E)/n (7)； 式中，参数a与实际定位场景有关，其取值使无线定位系统的信号覆盖率C和平均定 位误差E在优化结果中所占的权重相近，联合化优化函数Φ即可获得使部署效率最佳的锚 节点位置坐标。
5. 如权利要求1所述的无线定位系统锚节点部署方法，其特征在于，所述步骤4)包括 下述步骤： A、 离散化定位区域，对离散网格中心点的整数编码； B、 初始化阶段：随机生成包含Μ个染色体的初始种群，根据遗传算法设备的计算能力 设定Μ的取值； C、 适应值计算阶段：计算遗传算法的联合优化函数Φ，在计算过程中首先将编码后的 染色体解码映射为离散点坐标； D、 父代选择阶段：基于步骤C的适应值函数，用正比选择策略和旋轮法选择执行遗传 操作的父代染色体，适应值高的染色体被选中的概率大； Ε、交叉和变异阶段：被选中的染色体分别以预设交叉率Pc和变异率Pm执行部分映射 交叉和随机变异，生成相应后代； F、终止阶段：遗传算法重复上述步骤进行迭代式搜索，直至遗传算法收敛或达到最大 迭代次数，将所得染色体后代解码，得到使部署效率最佳的锚节点位置坐标。
6. 如权利要求5所述的无线定位系统锚节点部署方法，其特征在于，所述步骤A中，设 定位区域为矩形，将其离散化后得到KXL的矩形网格，每矩形网格中心点即为锚节点的部 署位置；将所有网络中心点位置{pxy|x = 1，2, ···, K ;y = 1,2, ···, L}逐行映射为整数集 Z= {1，2,…，{(札}，则整数编码后每组锚节点的部署位置表示为染色体，染色体的长度等 于锚节点的个数。
【文档编号】H04W4/02GK104093205SQ201410333448
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】张瑞, 夏玮玮, 沈连丰, 刘世栋, 章跃跃, 李炳林, 梁云, 缪巍巍, 贾子彦, 朱亮 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 东南大学, 江苏省电力公司