En redes de sensores inalámbricos, ¿cómo determinar la distancia del remitente en función de la intensidad de la señal recibida? ¿Existe una fórmula de cálculo específica?

La medición RSSI generalmente utiliza modelos empíricos y teóricos de propagación de señales.

Para el modelo empírico, antes del posicionamiento real, es necesario seleccionar varios puntos de prueba y registrar la intensidad de la señal recibida por cada estación base en estos puntos, estableciendo así una base de datos fuera de línea para registrar cada punto (x, y, ss1, ss2, ss3) posición e intensidad de la señal. Durante el posicionamiento real, las intensidades de la señal medidas (ss1′, ss2′, ss3′) se comparan con las intensidades de la señal registradas en la base de datos, y las coordenadas del punto con la desviación cuadrática media más pequeña de la intensidad de la señal se utilizan como coordenadas. del nodo.

En términos de modelos teóricos, los modelos de pérdida de ruta de propagación de radio se suelen utilizar para el análisis. Los modelos de pérdida de trayectoria de propagación más utilizados incluyen: modelo de propagación en el espacio libre, modelo de pérdida de trayectoria de distancia logarítmica, modelo Hat it y modelo de distribución log-normal. El modelo de pérdida de trayectoria de propagación de radio en el espacio libre es:

En la fórmula, d es la distancia desde la fuente de la señal, en km, f es la frecuencia, en MHz k es el coeficiente de atenuación de la trayectoria; Otros modelos simulan el entorno real pero aún no alcanzan el entorno real. Por ejemplo, en el modelo de distribución logarítmica constante, la fórmula de cálculo de la pérdida de trayectoria es:

En la fórmula, Xσ es una variable aleatoria distribuida gaussiana con una media de O y una desviación estándar de 4 a 10; k es de 2 a 5. Tomando d=1 y sustituyéndolo en la fórmula (1), podemos obtener LOSS, que es el valor de PL(d0). En este momento, la intensidad de la señal de cada nodo desconocido al recibir la señal del nodo ancla es:

RSSI = potencia de transmisión + ganancia de antena - pérdida de ruta (PL(d))

2 Basado en el modelo matemático RSSI del algoritmo de posicionamiento del centro de masa triangular

No importa qué modelo, debido a la complejidad del entorno real, la intensidad de la señal recibida calculada siempre tiene errores con la situación real. al nodo desconocido La distancia d siempre es mayor que la distancia real entre dos nodos. Como se muestra en la Figura 1, para los nodos de anclaje A, B, C y el nodo desconocido D, la distancia entre los nodos A y D calculada según el modelo RSSI es rA, la distancia entre los nodos B y D es rB; y D es La distancia entre ellos es rC. A, B y C se utilizan como el centro del círculo respectivamente, rA, rB y rC se utilizan como el radio del círculo respectivamente, y se puede obtener el área de superposición. La idea básica del algoritmo de posicionamiento del centro de gravedad del triángulo aquí es: calcular las coordenadas de tres puntos característicos en el área superpuesta de tres círculos, usar estos tres puntos como los vértices del triángulo y el punto desconocido es el centro de gravedad del triángulo, como se muestra en la Figura 2. Los puntos característicos E, F, G y la fórmula de cálculo del punto característico E son los siguientes:

De manera similar, se pueden calcular F y G. En este momento, las coordenadas de los puntos desconocidos se obtienen a partir de las coordenadas de los puntos reales en el diagrama de simulación 2. El punto es D; el punto estimado calculado por el algoritmo del centroide triangular es M y el punto estimado calculado por la trilateración; El método es N. Se puede ver que el algoritmo del centroide triangular tiene mayor precisión.

3 Proceso del algoritmo del centroide triangular basado en RSSI

3.1 Pasos

(1) El nodo ancla transmite periódicamente información a los alrededores, incluida su propia ID de nodo y coordenadas. Después de recibir la información, el nodo ordinario calcula el RSSI promedio del mismo nodo ancla.

(2) Cuando un nodo normal recopila una cierta cantidad de información del nodo ancla, ya no recibirá nueva información. Los nodos ordinarios clasifican los nodos de anclaje de fuerte a débil según RSSI y establecen una relación de mapeo entre los valores de RSSI y las distancias de los nodos a los nodos de anclaje. Crea 3 colecciones.

Conjunto de nodos de anclaje:

(3) Seleccione los primeros nodos de anclaje con valores RSSI más grandes para su propio cálculo de posicionamiento.

En B_set:, dé prioridad a los nodos de baliza con valores RSSI grandes y combínelos en el siguiente conjunto de nodos de anclaje. Esta es la clave para mejorar la precisión del posicionamiento.

Para el conjunto de nodos de anclaje, las coordenadas de los tres puntos de intersección se calculan secuencialmente de acuerdo con la fórmula (3) y, finalmente, las coordenadas del nodo desconocido se obtienen mediante el algoritmo de centroide.

(4) Calcule el valor promedio del conjunto de coordenadas de nodo desconocido obtenido.

3.2 Definición del error

Defina el error de posicionamiento como ER. Suponga que las coordenadas del nodo desconocido obtenidas son (xm, ym) y su verdadera posición es (x, y). posicionamiento El error ER es:

4 Simulación

Utilice la herramienta de simulación Matlab para simular el algoritmo del centro de masa del triángulo para probar el rendimiento del algoritmo. Suponiendo que 36 nodos de anclaje y 70 nodos desconocidos están distribuidos uniformemente en un área cuadrada de 100 m × 100 m, el método de trilateración y el algoritmo de posicionamiento del centroide triangular se utilizan para la simulación, respectivamente. Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 3. Como se puede ver en la Figura 3, el algoritmo del centroide triangular es más preciso que el método de trilateración. Cuando el error de alcance aumenta, el error de posicionamiento promedio derivado del algoritmo del centroide triangular es mucho menor que el error derivado del método de trilateración.

5 Conclusión

Este artículo propone un método que combina el método RSSI y el algoritmo de posicionamiento del centroide triangular, y compara el algoritmo con el algoritmo de trilateración a través de experimentos de simulación, demostrando que la superioridad del algoritmo. El siguiente paso será estudiar el error medio de posicionamiento cuando el número de nodos de anclaje es diferente.