[发明专利]一种基于接收信号强度指示的室内无线传感器网络定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及室内无线传感器网络节点定位领域，特别是距离相关的基于接收信号强度指示的无线传感器网络定位，即一种基于接收信号强度指示的室内无线传感器网络定位方法。

背景技术

无线传感器网络起源于越战时期美军用于监测对方军车的传统传感器系统。21世纪以来，随着传感器技术、计算机技术和信息技术的发展，无线传感器网络已经步入了第四代传感器网络。无线传感器网络由部署区域内大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个自组织的分布式网络，负责监控区域内不同位置的物理信息（温湿度、空气污染物、压力等）。由于其自身的特点和应用的特殊性，无线传感器网络易受能量、通信能力、计算和存储能力约束，同时它还有大规模、动态性、可靠、应用相关、以数据为中心等特点。基于以上特点，无线传感器网络已经被广泛的应用于军事、交通监控、农业信息化建设和智能家居等领域。

在大多数无线传感器网络应用领域，传感器节点的位置信息都是至关重要的，否则其失去应用价值。例如，如果没有节点的位置信息，应用于军事部署的传感器网络就不能满足相应的战术需求，延误战机；如果没有节点的位置信息，应用于农业信息化建设的传感器网络就不能高效地监控和预防病虫鸟兽、恶劣天气等灾害。如果没有节点的位置信息，应用于交通监管的传感器网络就不能有效避免交通拥堵甚至交通事故。同时，对于某些基于位置的无线传感器网络协议，节点的位置信息也具有重大的意义。

对于无线传感器网络的定位方法，相关文献基于不同的标准对其进行了分类。其中最多的一种分类方法以距离为标准，分为距离相关的定位方法和距离无关的定位方法。前者利用节点间的实际距离进行坐标计算；后者利用节点间跳数等估计距离计算未知节点坐标。另外，以信标节点为标准，无线传感器节点定位方法可以分为基于信标节点的定位方法和信标节点无关的定位方法；以坐标计算方式为标准，无线传感器节点定位方法可以分为集中式定位和分布式定位。本发明中涉及的基于接收信号强度指示的定位方法属于距离相关的无线传感器网络定位方法。

传感器网络节点的接收信号强度指示可以用于测量节点间的距离，从而通过相应定位算法得到未知节点的位置信息。但是由于射频信号在空气中传播遇到多径效应、绕射、反射等干扰，这种定位方法在实际环境中仍面临着巨大的挑战。接收信号的强度信息由直达波和非直达波叠加而成，由于室内环境存在复杂的多径效应，接收节点处的接收信号有不同的叠加结果，根据多径相位的不同，接收信号既可能增强也可能减弱。此外，接收信号的强度还受到带限系统信号带宽的限制。综上所述，室内定位面临着复杂的环境干扰（反射、折射和衍射等），这些干扰造成了接收信号强度指示的不稳定性和时变性。

基于接收信号强度指示的无线传感器网络定位方法分为两种：一种是基于信号强度指纹匹配的非参数化定位方法；一种是基于对数距离路径损耗模型的参数化定位方法。近年来，国内外的相关文献针对不同的应用挑战提出了不同的定位算法或方案。Fang和Lin提出了一种不同于传统卡尔曼滤波的动态定位系统，这种方法利用接收信号强度的时间序列代替信号强度值来重建系统状态，提高了系统的性能。此外，Fang和Lin还提出了另外一种改进方法：通过调查研究室内环境的信号噪声源，从接收信号强度中提取鲁棒性好的信号特征用来定位，以减轻多径干扰。Ahn和Yu提出一种环境自适应定位方法，该方法通过实时更新信号衰减参数，来克服室内环境中信号衰减参数不稳定的缺点。Zhang和Yu提出一种使用定向天线的定位机制，该机制利用定向天线把信号强度集中到某个限定方向，增大发射信号强度增益，以此来提高定位精度。

以上方法虽然都取得了一定的优化效果，但是在复杂的室内环境中仍然存在着许多缺陷。例如，定向天线并不能保证其辐射方向覆盖了未知节点；动态更新信号衰减参数存在信号时延；指纹匹配定位方法存在误匹配现象；室内环境噪声分布未知等。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于接收信号强度指示的室内无线传感器网络定位方法，通过标定信号衰减参数，利用自助重抽样法构造测量距离的置信区间，在集员估计框架下对置信区间构成的可行解集利用区间分析计算未知节点的估计坐标。

本发明通过以下步骤来实现：

步骤一：提取室内环境的射频信号衰减参数；

步骤二：采集未知节点的接收信号强度样本；

步骤三：由自助法对信号强度原始数据样本重抽样，构造测量距离置信区间；

步骤四：计算节点位置信息在集员估计框架下的可行解集；