[发明专利]一种基于RSS和测距无偏估计的WSN节点定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及节点定位方法，特别涉及一种基于RSS和测距无偏估计的WSN节点定位方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是通过部署大量具有感知、计算和无线通信能力的传感器节点而组成的网络。大量的传感器节点彼此协同完成特定的任务。很多情况下，需要知道准确的节点位置信息。而大量的传感器节点在部署时往往是随机的，通过人力来获得每个节点的位置信息是不可取的。此外，为满足工业应用的需求，传感器节点一般是比较廉价的，不可能通过给每个节点配置一个定位模块(如GPS模块)来进行定位。因此，需要通过适当的定位算法来获取WSN节点的位置信息。

基于RSS(Received Signal Strength)测距的WSN节点定位算法是一种比较常用的方法。其基本原理是通过未知节点接收到的各信标节点(位置已知节点)的RSS值，并借助一定的信号传播模型，计算出未知节点到各信标节点的距离，然后利用三边定位、最小二乘法等定位算法解算出未知节点的位置信息。可是由于环境的复杂性和噪声的影响，RSS经常是波动的。通过理论分析，对于一般的传播模型，根据RSS计算出的未知节点到各信标节点的距离是存在固有偏差的。这在一定程度上限制了节点定位精度的提高。

尽管很多研究学者通过提出各种各样的传播模型来解决这一问题，但对于RSS所受噪声的影响而引起测距误差的分析并不充分，只是试图优化传播模型的参数，这并不能从本质上消除由于噪声所引起的测距偏差，不利于WSN节点定位精度的提高。因此，基于RSS测距的WSN节点定位算法的在一些复杂环境下的应用会受到限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决基于RSS测距的WSN节点定位算法受噪声的影响而引起测距误差的分析不充分，不能从本质上消除由于噪声所引起的测距偏差的问题而提出的一种基于RSS和测距无偏估计的WSN节点定位方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、在传感器网络工作环境内，预先部署M个信标节点；设传感器网络工作环境内任意的未知节点U＝(x,y)，设U接收到来自信标节点B_i信号的坐标为x_i,y_i，i＝1,2,...,N,N≤M；其中，N表示对于未知节点U可见的信标节点的数目；

步骤二、根据一般的信号传播模型，计算出在受高斯噪声n的影响下，未知节点与信标节点B_i的距离其中，在距离信标节点d₀处设置参考节点，参考节点接收信标节点B_i的信号功率为P_i(d₀)；未知节点U与信标节点B_i的距离为d_i；在不受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点B_i的信号功率为P_i(d_i)；n为均值为0，方差为的高斯噪声；α为路径损耗指数；

步骤三、对步骤二的v_i进行期望值分析得到为了使得引入未知节点U到信标节点B_i真实距离的无偏估计量其中，n为均值为0，方差为的高斯噪声；

步骤四、根据二维平面内未知节点U＝(x,y)和信标节点B_i＝(x_i,y_i)的坐标，计算未知节点U到信标节点B_i的距离满足下式：

其中，i＝1,2,...,N，N≥3；

步骤五、利用牛顿迭代法求解未知节点U的位置x,y；将式(1)在(x_k-1,y_k-1)^T处进行泰勒级数展开，并略去二次项，得：

其中，x_k,y_k为第k次牛顿迭代法求解未知节点U位置坐标；

步骤六、结合最小二乘法对式(2)进行求解，得到矩阵形式：

G·△X＝b(3)

其中，△X＝[(x-x_k-1) (y-y_k-1)]^T,

结合最小二乘理论，获得△X为：

△X＝(G^TG)^-1G^Tb(6)