基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法

基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无线定位方法，是一种基于阴影衰落的节点定位方法，属于无线 网络中的无线定位技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着近些年来基于位置服务需求的增加，无线定位技术相关的研究越来越活跃。 在过去的几十年中提出了基于接收信号强度化SS)，基于到达角度信息（A0A)和基于到达 时间（T0A)的无线定位方法。但是基于A0A的定位方法需要节点安装天线阵列或者能够旋 转的定向天线等特殊的天线。基于T0A的定法方法需要错节点和未知节点满足精确的时钟 同步。近年来，基于RSS的无线定位方法引起了研究人员的广泛关注，因为RSS可W由大部 分无线设备提供，不需要额外增加硬件设备就可W扩展到现有的无线网络中。
[0003] 传统的基于RSS的定位方法大概分成两类；基于测距的定位方法W及无需测距的 定位方法。基于测距的定位方法首先需要根据路径损耗模型计算出未知节点到错节点的距 离，然后根据多边定位法比如非线性最小二乘法（化巧和线性最小二乘法（化巧等来估计 未知节点的位置。由于RSS易受多径衰落、阴影衰落W及天线不规则方向图的影响，基于测 距的定位方法的定位精度很差，通常情况下室内的节点定位精度为米级。无需测距的定位 方法是将采集的RSS数据和事先建立的RSS数据库进行模式匹配。但是该种方法需要耗费 大量的人力去事先建立一个数据库，并且当环境变化时，RSS数据库需要立即更新。

【发明内容】

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提出了一种利用链路的阴影衰落来定位未知节点 的方法。当障碍物位于无线链路上时，链路会发生阴影衰落，导致该链路的RSS值产生很大 的衰减，通常可W达到5-10地。由于阴影衰落发生时，障碍物位于链路上，因此链路的阴影 衰落能够提供未知节点的方向信息。本发明基于该种思想来实现位置未知节点的定位。首 先我们让一个障碍物在错节点阵列和未知节点之间按照预先设定的轨迹匀速运动。该样由 错节点和未知节点构成的无线链路会先后被障碍物遮挡，从而引起该些链路的阴影衰落。 然后通过阴影衰落估计出该些链路被遮挡物穿越的时间。最后利用链路穿越时间通过最小 二乘算法（L巧获得未知节点的位置估计。实验证明基于阴影衰落的定位方法的定位精度 相比于其他无线定位方法有很大程度的提高。
[0005] 本发明所述的基于阴影衰落的节点定位方法，包括W下步骤：
[0006] 步骤一：配置错节点阵列：
[0007] 将工作在相同频段且支持相同通信协议的L个错节点构成错节点阵列且L> 2， 将错节点阵列、1个基站节点W及1个位置未知节点放置在一个2维xoy平面内，并且该些 节点具有相同的物理结构；构成错节点阵列的L个错节点的坐标是已知的，分别为（XI，yi) T，1G{1，2,. . .，L}，未知节点的坐标记为（X，y)T;L个错节点和该位置未知节点构成L条无 线链路；基站节点距离错节点的距离应小于错节点发送的信号所能传输的最远距离；
[0008] 所述待测的位置未知节点每次测量过程中只能有一个位置，且该位置未知节点周 期性的发送无线信号给错节点，错节点接收信号后测量接收信号强度即RSS值并将测量的 RSS值发送到基站节点，基站节点将接收到的RSS值传送到与其相连的本地计算机中；并执 行从步骤二开始的如下操作；
[0009] 步骤二：对错节点与位置未知节点之间的每一条链路1，获得每时刻由于障碍物 运动导致的各链路的RSS值的变化量；方法如下：
[0010] 步骤2. 1 ;获得没有障碍物时链路1的RSS值ri;
[0011] 步骤2. 2 ;令xoy平面中，错节点阵列两侧的平面分别为左半平面和右半平面，分 别在左半平面上设定障碍物的预定运动轨迹一，在右半平面上设定障碍物的预定运动轨迹 二，确保所有错节点都在运动轨迹一的右侧，在运动轨迹二的左侧，即所有错节点都位于左 半平面和右半平面之间；障碍物轨迹应该保证至少有一部分位于未知节点和错节点之间；
[0012] 步骤2. 3 ;障碍物分别按运动轨迹一和运动轨迹二运动，获得t，t= (1，2, ...，N} 时刻链路1的RSS值货，i= 1，2,即当i= 1时，货表示障碍物在左半平面按照运动轨迹 一运动时t时刻链路1的RSS值，当i= 2时，表示障碍物在右半平面按照运动轨迹二 运动时t时刻链路1的RSS值，其中N是测量所需离散时间点的总数，即记录的次数，其取 值与系统采样率有关，采样率应保证能跟上障碍物的运动速度；
[001引步骤2. 4 ;获得t时刻链路1的RSS值的变化量；
[0014] 障碍物分别在左半平面和右半平面沿预定的运动轨迹运动时，得到t时刻链路1 的RSS的变化量心皆为；
[0015]
【主权项】
1.基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在于，包含如下步骤： 步骤一：配置锚节点阵列： 将工作在相同频段且支持相同通信协议的L个锚节点构成锚节点阵列且L多2,将锚 节点阵列、1个基站节点以及1个位置未知节点放置在一个2维xoy平面内，并且这些节 点具有相同的物理结构；构成锚节点阵列的L个锚节点的坐标是已知的，分别为（ Xl，yi) T，I e {1，2, . . .，L}，未知节点的坐标记为（X，y)T;L个锚节点和该位置未知节点构成L条无 线链路；基站节点距离锚节点的距离应小于锚节点发送的信号所能传输的最远距离； 所述待测的位置未知节点每次测量过程中只能有一个位置，且该位置未知节点周期性 的发送无线信号给锚节点，锚节点接收信号后测量接收信号强度即RSS值并将测量的RSS 值发送到基站节点，基站节点将接收到的RSS值传送到与其相连的本地计算机中；并执行 从步骤二开始的如下操作； 步骤二：对锚节点与位置未知节点之间的每一条链路1，获得每时刻由于障碍物运动 导致的各链路的RSS值的变化量：方法如下： 步骤2. 1 :获得没有障碍物时链路1的RSS值可； 步骤2. 2 :令xoy平面中，锚节点阵列两侧的平面分别为左半平面和右半平面，分别在 左半平面上设定障碍物的预定运动轨迹一，在右半平面上设定障碍物的预定运动轨迹二， 确保所有销节点都在运动轨迹一的右侧，在运动轨迹二的左侧，即所有销节点都位于左半 平面和右半平面之间；障碍物轨迹应该保证至少有一部分位于未知节点和锚节点之间； 步骤2. 3 :障碍物分别按运动轨迹一和运动轨迹二运动，获得t，t = {1，2, ...，N}时刻 链路1的RSS值#>，i = 1，2,即当i = 1时，表示障碍物在左半平面按照运动轨迹一运 动时t时刻链路1的RSS值，当i = 2时，表示障碍物在右半平面按照运动轨迹二运动 时t时刻链路1的RSS值，其中N是测量所需离散时间点的总数，即记录的次数，其取值与 系统采样率有关，采样率应保证能跟上障碍物的运动速度； 步骤2. 4 :获得t时刻链路1的RSS值的变化量： 障碍物分别在左半平面和右半平面沿预定的运动轨迹运动时，得到t时刻链路1的RSS 的变化量为： 当i = 1时，表示t时刻障碍物按照运动轨迹一运动时链路1的RSS的变化量； 当i = 2时，Δ#1表示t时刻障碍物按照运动轨迹二运动时链路1的RSS的变化量； 由于障碍物有一定的体积，因此障碍物遮挡链路有一定的持续时间； 当障碍物遮挡链路1的持续时间的离散值w是奇数时，障碍物遮挡链路1的持续时间 的离散表示方式是时间段 当障碍物遮挡链路1的持续时间的离散值W是偶数时，障碍物遮挡链路1的持续时间 的离散表示方式是时间段
其中f为链路1被障碍物穿越的时刻，即在该时刻障碍物的中心正好位于锚节点 (X1, Y1)' I e {1，2,...，L}和未知节点构成的链路1上，当i = 1时，（(1)表示障碍物在左半 平面按照运动轨迹一运动时链路1被障碍物中心穿越的时刻，当i = 2时，1表示障碍物 在右半平面按照运动轨迹二运动时链路1被障碍物中心穿越的时刻； 步骤三：获得能够确定障碍物遮挡链路1的持续时间的离散值w ; 能够确定障碍物遮挡链路持续时长的w取为：
其中符号L」:表示对数据向下取整，R表示障碍物的半径；V = (vx，vy)T是障碍物的运 动速度，其中\和V，别为障碍物在X方向和y方向上的分速度，|v|-^/v；+v；，At为RSS 的测量周期，即采样时间间隔； 步骤四：障碍物分别在左半平面和右半平面沿预定的运动轨迹一和运动轨迹二运动 时，估计障碍物中心穿越链路1的时刻; 假设每条链路在不同时刻的RSS变化量是相互独立的，则障碍物穿越链路1的时刻的 最大似然估计为：
即估计的结果^来自于使得似然函数取得最大值的那个时刻； 步骤五：根据步骤四的结果ζ(?)，确定位置未知节点所在的半平面：
I = 1时表示位置未知节点位于左半平面，I = 2时表示位置未知节点位于右半平面； 步骤六：利用最小二乘算法定位节点； 当链路1被障碍物遮挡时，障碍物的中心位于锚节点和位置未知节点构成的链路1直 线上，即在f/n时刻障碍物的中心坐标应该满足链路1的直线方程，考虑到由锚节点和未知 节点构成的L条无线链路，有：
其中(今,，冷,)，，=I，2，·』是f广时刻障碍物中心的坐标，（X/, V/)r，/ e {1,2，... 是锚节 点坐标；根据最小二乘算法得到位置未知节点的坐标估计为：
2. 根据权利要求1所述一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在 于，步骤1所述锚节点等间距的放置在一条直线上。
3. 根据权利要求1所述一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在 于，步骤1所述锚节点、基站节点以及未知位置节点均支持IEEE802. 14. 5协议。
4. 根据权利要求1所述一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在 于，步骤2. 2中，障碍物的运动轨迹一或运动轨迹二是直线。
5. 根据权利要求1所述一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在 于，所述障碍物是按照预定运动轨迹运动的人。
6. 根据权利要求1所述一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在 于，障碍物采用圆柱体模型。
7. 根据权利要求3所述一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法，其特征在 于，步骤1所述锚节点、基站节点以及未知位置节点采用TICC2530节点，各节点工作在 2. 4GHz的ISM频段并且每个节点都安装有全向天线。
【专利摘要】本发明公开了一种基于阴影衰落的无线探测网络节点定位方法。属于无线网络中的无线定位技术领域。令障碍物在锚节点阵列和位置未知节点之间按照预先设定的轨迹匀速运动，由锚节点和位置未知节点构成的无线链路会先后被障碍物遮挡，从而引起这些链路的阴影衰落，通过阴影衰落估计出这些链路被障碍物穿越的时间，利用链路穿越时间通过最小二乘算法获得未知节点的位置估计。本方法和其他定位方法相比能够提高定位精度，能够使用现在广泛分布的无线信号来定位能够发送无线信号的终端。
【IPC分类】H04W64-00
【公开号】CN104837199
【申请号】CN201510276049
【发明人】刘珩, 王正欢, 倪亚萍, 许胜新, 安建平, 卜祥元, 辛怡
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月26日