無線傳感網(wǎng)中節(jié)點定位中的障礙物分析
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引 言
節(jié)點的定位是無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中的一個重要問題，位置信息的引入使得WSN的輸出從單一的{數(shù)據(jù)}變?yōu)閧數(shù)據(jù)，位置}形式，使得使用者可以更有效的獲取特定位置和區(qū)域而不是特定傳感器結(jié)點的數(shù)據(jù)，從而為許多新型應(yīng)用如基于位置的路由、跟蹤、建筑物形變測量等應(yīng)用打開了途徑。
無線傳感網(wǎng)節(jié)點定位算法實現(xiàn)具備兩類輸入：已知錨點及其位置信息，結(jié)點之間的測量間距。
已知定位信息的節(jié)點被稱為錨點。未知節(jié)點與錨點之間的距離，按照實現(xiàn)方式不同，節(jié)點定位算法分為分布式和集中式兩類，前者的算法是通過分布式的各個節(jié)點實現(xiàn)的;后者的算法是通過一個集中式的節(jié)點來實現(xiàn)的。本文采用集中式算法。
無線傳感網(wǎng)節(jié)點擺放完后就確定了錨點的信息，實現(xiàn)定位的另外一個輸入是各個節(jié)點距離信息。目前采用的測距方法有：測量無線電信號強度(RSSI)，測量無線電信號覆蓋關(guān)系(Radio Connectivity)，測量普通聲波與無線電到達時間差(TDOA)，測量超聲波信號與無線電到達時間差。
本文采用RSSI方法來進行節(jié)點之間的測距，實現(xiàn)簡單，模型成熟，比TDOA等方法容易實現(xiàn)。
利用三角定位的原理，分析了定位與錨節(jié)點數(shù)量的關(guān)系，錨節(jié)點數(shù)量不足時，利用DV-hop算法計算多跳距離。錨點信息足夠時則采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行處理以獲得平均意義上的節(jié)點位置。
無線傳感網(wǎng)中節(jié)點定位與實際節(jié)點定位信息存在一定誤差，產(chǎn)生誤差的原因有兩個：無線電信號傳播模型的不夠準確，節(jié)點之間存在障礙物，節(jié)點擺放等環(huán)境因素影響。針對后者，本文提出了一個方法來預(yù)測節(jié)點之間是否存在障礙物，來改善節(jié)點定位精度。
最后用C語言進行仿真，驗證了考慮障礙物影響后，節(jié)點定位精度相比于沒有采用障礙物分析時提高了30%左右。
1 定位原理
采用無線信號刪減模型進行測距，其數(shù)學(xué)表達式為(1)：
式中：precieve為接收無線信號的強度，psend為無線節(jié)點發(fā)出信號的強度。
在信號強度刪減模型中，其指數(shù)a設(shè)定為2，忽略干擾，可得矩陣方程：
式中：X∈R2，是未知節(jié)點位置，ei∈R2是已知第i個錨點的位置，Zi是接收信號的強度，ai為常數(shù)。把式(2)展開可得：
給定第i個錨點信息，X是一個二次未知數(shù)，這對解方程有一定難度，把其線性化，第i個方程減掉第1個方程可得：
給定k個錨點，可得k-1個線性方程。
通過上面的k-1個方程組可知，當(dāng)X有3個變量時，如X表示三維坐標，k=4即k-1=3，可以得到唯一解;k<3時有多解;k>3時無解。當(dāng)X有2個變量，X代表二維坐標，k=3有唯一解。
在無線傳感網(wǎng)節(jié)點定位中，以二維定位為例，若未知節(jié)點知道3個錨點距離，可唯一定出該節(jié)點位置;若僅知道2個或更少錨點信息，可利用算法一定程度上定出位置范圍;若錨點距離信息多于3個，可用優(yōu)化算法來優(yōu)化定位精度。
本文以二維信息為例說明無線傳感網(wǎng)節(jié)點定位問題。
2 節(jié)點定位系統(tǒng)架構(gòu)與障礙物分析
無線傳感網(wǎng)節(jié)點定位系統(tǒng)分為分布式和集中式兩種：
分布式算法將計算工作分布到各個節(jié)點中，節(jié)點的位置估計在本地完成。在非多跳方式中，算法使用的距離參數(shù)在節(jié)點一跳范圍內(nèi)取得;在多跳方式中，這個參數(shù)由節(jié)點間協(xié)作、多跳取得。
在集中式中，中心計算機負責(zé)計算每個節(jié)點位置，每個節(jié)點把自己的信息都統(tǒng)一發(fā)到某一中心節(jié)點，最后由這個中心節(jié)點傳到一計算機集中處理數(shù)據(jù)并給這些未知節(jié)點定位。見圖1。
集中式方法實現(xiàn)容易，考慮全局信息后能優(yōu)化節(jié)點定位。本文采用集中式定位算法。
2.1 集中式定位算法實現(xiàn)
采用集中式算法后，多跳范圍的節(jié)點與節(jié)點距離采用DV-hop算法，即平均每跳距離
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