基于RSSI测距信号衰减因子的WSN定位算法研究

  ：在无线传感器网络中定位技术是运用广泛的重要技术，在基于距离的定位技术中，测距精度在很大程度上决定了定位精度。传统的RSSI测距法存在路径损失模型复杂、环境变化引起信号严重震荡而产生测距误差等不足。针对以上问题，本文提出利用锚节点测距信号衰减因子的RSSI测距法，该测距法无需建立路径损失模型，同时，信号衰减因子与RSSI测距有很强的关联性，减少了因其他因素引起的信号强度值震荡而带来的测距误差，具有非常好的环境适应能力。

  作者张春炯1 陈立万1 杨震1 曹磊2 刘莎1 刘子路1 1.重庆三峡学院 电子信息与工程学院(重庆 404100)2.商丘学院 学生处(河南 商丘 476000)

  *基金项目：国家自然基金(编号：61402063);中国博士后科学基金(编号：160560);重庆三峡学院研究生创新创业项目《基于多细胞生物免疫机理的WSN节点协同信息处理研究》

  张春炯(1990-)，男，硕士，研究方向：无线传感网络;陈立万，男，教授，研究方向：信号与信息处理。

  摘要：在无线传感器网络定位技术是运用广泛的重要技术，在基于距离的定位技术中，测距精度在很大程度上决定了定位精度。传统的RSSI测距法存在路径损失模型复杂、环境变化引起信号严重震荡而产生测距误差等不足。针对以上问题，本文提出利用锚节点测距信号衰减因子RSSI测距法，该测距法无需建立路径损失模型，同时，信号衰减因子与RSSI测距有很强的关联性，减少了因其他因素引起的信号强度值震荡而带来的测距误差，具有非常好的环境适应能力。

  无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是现代一种有大量微型传感器节点部署的无线]。在无线传感器网络实际工程应用中，节点需要出示自身的位置信息及检测信息，才能提供有效的监测服务[2-3]。无线传感器网络中目标的定位、跟踪和轨迹预测都需要节点的位置信息[4]。

  [2]。本文针对RSSI测距法中存在的不足，提出利用锚节点测距信号的RSSI测距法解决测距误差。

  [6]是一种基于方向链路的定位方法，经过测量节点信号到达多个信标节点的传播时间来确定节点的位置。但它对所有节点相同的误差不进行处理，误差较大。

  [3]是另一种基于反向链路的定位方法，通过检验测试不同信号到达的时间差来确定节点的位置。但由于节点功率控制会造成相邻节点接收到的功率小，因此会导致比较大的测量误差。

  [4]由两个或更多锚节点经过测量接收信号的到达角来估计节点的位置。而当节点距离协调器较远时，节点定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差。

  [5,6]通过接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号路径损失模型将传播损耗转化为距离。其不需添加任何额外硬件降低投入成本，但其路径损失模型建立复杂，射频信号易受多径衰落、非视距等环境影响导致接收信号强度值严重震荡，难以准确测距。

  Pt为节点发射功率，Pt(d)为接收功率;Gr、Gt分别是发射天线和接收天线的增益;d是发射节点到接收节点的距离;n是取决于环境的平均路径损耗指数;λ是波长。

  衰减因子进行改进。其基本思路是借助两个锚节点间的信号传播损耗计算出信号衰减因子，再将信号衰减因子用于已知节点与未知节点的测距中，计算距离。

  0和N2为相同环境下，两节点可进行通信，由已知节点N0到N2的位置信息，测出N0到N2的距离，确定节点N2的定位信息。利用锚节点测距信号衰减因子的思想，若在节点N0的通信范围内存在一锚节点N1，则N0、N1、N2为邻居节点，在节点N0通信小范围内存在环境噪声系数引起信号无规律的衰减时，环境噪声系数对于N0到N2与N0到N1之间的信号通信质量的影响是一样的。同状态下，信号从N0到N2与从N0到N1的衰减规律一致。因此，通过锚节点N1和N0得出同状态下信号衰减速率与距离的数值关系，进而通过该衰减因子计算N0到N2的距离。在此改进思路上结合信号随距离增加而衰减变快的情况，推导出信号衰减因子。

  0、N1和一个未知节点N2，N0与N1和N0与N2均可相互通信。N0、N1间距为d1，且已知N0发出的信号强度为PN0，传输到N1时，信号强度降为PN1;从N0传输到N2时，信号强度降为PN2。需测N0到N2的距离d(其示意图如图2所示)。

  0和节点N2时，不同的环境衰减因子对改进RSSI曲线的影响示意图。能够准确的看出，环境衰减因子n对传播模型影响很大，n值越小，其对应的改进RSSI曲线越平缓，节点信号衰减得越慢，节点N2定位误差越小。反之，n值越大，信号衰减得越快，定位误差越大。

  定位精度取决于测距精度。本文提出了利用锚节点测距信号衰减因子的思想和方法，并阐述其测距原理，推导出信号衰减因子。与传统的RSSI测距法相比，该测距法无需建立复杂的路径损失模型，而是计算同时刻的信号衰减因子用于测距，衰减因子现求现用能有实际效果的减少因其他因素引起的信号强度震荡带来的测距误差，提高无线传感器网络中RSSI定位精度。