基于强度值递归测量机制的无线传感网节点定位算法研究

摘要：为解决无线传感网部署过程中存在严重的射频串扰现象，且定位信号测量精确程度低，难以准确搜寻到锚节点等不足，本文提出了基于强度值递归测量机制的无线传感网节点定位算法。首先通过强度值递归机制，准确地按照采样信号强度实现对网络重心节点的精确定位，随后通过对采样信号数值进行转换，结合网络重心节点位置，对待测量节点的坐标进行精确估计，从而计算出节点在网络中的准确位置，有效提高了定位信号的精确程度。仿真实验表明，与KKFG定位算法相比，本文算法具有更高的定位精确度与数据分组投递率，以及更低的定位误差度。

引言

随着工业化4.0节奏的不断推进，以及信息化产业链的不断发展，基于无线传感网定位技术的各种应用也层出不穷。采用一定的定位技术实现无线传感网信息的精确采集及处理，从而实现在数据监测、信息采集、传感归纳等方面的运用，成为了当前非常重要的一个研究热点，同时也成为制约无线传感网技术发展的一个十分重要的方面^[1]。由于在传感定位时需要通过传感节点将定位信息以射频方式进行信息交互，一旦传感节点的电池因消耗过大而导致无法正常工作时，整个定位过程将随即失效^[2]。所以采取一定的方式减少该过程的能量损耗，同时提高无线传感网的网络运行质量，就成为当前研究中非常重要的研究领域^[3]。

如徐彤阳^[4]等提出了一种NLOS误差模型下的无线传感网定位方法，当节点处于低强度噪声时，能够实现高精度定位，具有很强的实际部署意义。但是，由于该算法对网络复杂情况下的定位精度问题考虑不够，因此，难以在噪音复杂的网络背景条件下实现对节点坐标的精确定位。朱烜璋^[5]等提出了一种基于圆盘散射模型的无线传感网定位方法研究，通过引入递归机制对节点初始状态坐标进行归纳，实现了无固定锚节点下的初步定位。但是，该算法是无锚节点算法，因此，虽然能够在节点定位信号强度较弱时进行定位，但是由于无锚本身的精确程度不高，在干扰较强时的精度往往会随着信号强度的增加而迅速增大。张金艺^[6]等提出了一种无线传感器网络中的协作波纹定位，通过对节点相对位置进行计算，实现了对节点的初步定位。然而，由于对网络拓扑改变因素考虑不够，传感节点一旦发生拓扑结构的改变，将难以支持定位过程的继续。

为了解决上述不足，本文提出了基于强度值递归测量机制的无线传感网节点定位算法，通过对节点信号强度值进行归纳，实现了精确定位。随后针对初步定位中可能存在的误差，采取对数据进行二次转换，从而进一步提高定位的精确度。最后采取NS2仿真平台对本文算法进行了仿真验证，证实了本文算法的有效性。

1 网络拓扑假设与能量模型

由于整个定位过程中需要通过无线传感网节点进行信息交互，当节点信息收发过程受阻时，将难以正常进行定位，因此，本文的无线传感网拓扑结构需要做出如下规定^[7]：

1)网络节点能量不可变动，即无法通过人为因素给予网络节点补充能源^[8];

2)传感器节点之间的信息交互是通过固定频率的射频信号进行交互，且整个过程均在无线网络环境中进行;

3)整个网络需要通过一定的机制进行自我修复，但该修复过程均不影响定位算法的进行;

4)传感节点在消耗完自身能量后，将丧失一切信号接收与发送功能。

在低强度网络信号的背景下，由于网络节点之间的信息交互均通过无线信道发生，因而整个网络中的全部传感节点的能量收发模式满足无线信道的信号收发模式^[9]。单个网络节点在定位过程中的能量阈值μ(B)满足如下数学表达式：

(1)

其中B为定位过程中的总体定位带宽，R为节点定位过程中的最大通信能力作用距离，P_rev为定位节点的能量接收功率，P_sent为定位节点的能量发射功率。

由于节点在进行定位过程中会有能量损耗^[10]，相应能量损耗满足如下的数学表达式：

(2)

相应参数定义同模型(1)中定义。

从模型(1)与模型(2)可以得到，节点在进行定位过程中的能量阈值与其定位过程中的总体定位带宽、节点定位过程中的最大通信能力作用距离、定位节点的能量接收功率、定位节点的能量发射功率均存在很强的比例关系，且随着节点通信距离的飞速提高，节点能量阈值与损耗相比增长速度更为迅速。此外，如果考虑到能量损耗因素仅能通过降低定位节点的能量接收功率和发射功率的方式进行，一旦两者数值过大，该节点可能因为能量消耗过大而导致信号收发性能迅速下降，从而大大降低定位的精度及质量。

2 基于强度值递归测量机制的无线传感网节点定位算法

根据第1部分提出的网络拓扑假设与能量模型，本文提出了一种基于强度值递归测量机制的无线传感网节点定