[發明專利]壓縮感知定位技術中的傳感器高效部署方法

有效

• 申請號: 201410758232.3
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104469937B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 郭艷;錢鵬;李寧;孫保明;于盟;周彬
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;G01S5/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡中的定位技術，該發明以壓縮感知理論為基礎，利用接收信號強度值實現多目標定位。通過優化部署接收數據的傳感器放置位置，減少了測量值之間的相關性，增加了位置信息重構的概率，從而實現高效精確的定位。

背景技術

近年來，隨著無線網絡技術的迅猛發展，用戶對于位置信息的需求日益增加，基于位置信息的服務得到普遍的推廣。在無線傳感器網絡中，目標定位是其中的一種關鍵技術，它在目標追蹤、設備監控、干擾源檢測等應用中有著廣泛而重要的應用。

目前有很多成熟的傳感器網絡無線電定位系統，如基于紅外信號、射頻信號的定位系統。但是，這些系統往往需要部署專用的硬件來測量信號，且需要特殊的網絡架構，因此成本較高、維護復雜，極大地限制了其應用。為了降低硬件要求，基于接收信號強度(Received Signal Strength,RSS)的定位技術成為了最近的研究熱點。因為幾乎所有的無線電設備都可以獨立測量其接收信號的強度，而不需要其他的設備輔助，所以該定位技術可以應用到不同的無線網絡基礎設施中，從而滿足不同用戶的需求。但是，由于無線定位需要對大量的數據進行測量和處理，而且傳感器節點自身功率受限、易受環境影響，現有定位技術在實現精確定位時往往需要耗費大量資源，這嚴重阻礙了基于RSS定位技術的應用。

壓縮感知(Compressive Sensing,CS)技術為解決這個問題提供了新的思路。壓縮感知理論指出：對于一個在某變換域上具有稀疏性的信號，可以用遠低于奈奎斯特采樣率的速率對其進行采樣，然后通過求解一個l₁范數最小的最優化問題，實現信號精確重構。而信號的稀疏性則類似于定位問題中目標位置的稀疏性，因此可將壓縮感知用于定位中，從而顯著降低精確定位所需采集、傳輸和處理的數據量。

發明內容

技術問題：本發明提出一種壓縮感知定位技術中的傳感器高效部署方法，該方法通過對傳感器節點進行有效地部署，減少了測量信號之間的相關性，增加了位置信息重構的概率。相比傳統的隨機部署方法，該方法使得傳感器定位系統在精確性和穩定性方面，得到極大的提升。

技術方案：通過將壓縮感知技術引入到傳感器網絡定位中，我們構建了一種應用于多目標定位的系統框架。對于一個被劃分成N個網格的無線網絡區域，傳統的傳感器定位技術往往需要在每個網格中部署一個傳感器節點，而基于壓縮感知的傳感器定位技術能夠以遠少于N的傳感器部署數量實現目標的精確定位。

為敘述方便，首先對壓縮感知理論進行簡要介紹：

考慮一個有限長的離散信號x，可以看做一個N維列向量，將其在一個正交基空間Ψ∈R^N×N里展開，即x＝Ψθ，其中θ是系數向量。若θ中的非零元素個數K遠小于N，那么我們稱信號x是稀疏的。然后，再對信號x進行一次壓縮觀測得到測量值y，即y＝Φx，其中Φ∈R^M×N稱為觀測矩陣。綜上所述，可將M維觀測向量寫作：y＝ΦΨθ。為了從測量值中恢復出原信號，需要從y中求出θ，但由于M＜＜N，這是一個欠定問題，一般是沒有確定解的。壓縮感知理論表明，如果矩陣ΦΨ具有有限等距性質(Restricted Isometry Property,RIP),則可以通過計算一個如下的優化問題：

獲得一個唯一確定的解。最后，對恢復的系數向量乘以基矩陣Ψ得到恢復的原信號即

將壓縮感知理論應用到無線傳感器網絡多目標定位中，考慮這樣一個問題：有K個坐標未知的目標節點隨機地分布在某個區域中，為了確定他們的坐標，我們通過部署M個坐標已知的傳感器節點測量接收信號強度值，進而實現定位。

該方法以壓縮感知理論為基礎，利用接收信號強度值實現多目標定位，該方法的具體步驟為：

1.)根據定位環境，將區域劃分成等間距網格，并依次編號為1,2,3,…,N；N為網格個數，定位目標數量用K表示，其位置信息由向量θ表示，每個網格依次對應θ中的元素，若網格內有目標，則相應元素為1，否則為0；

2.)確定信號傳輸模型RSS(d)，根據網格之間的距離和傳輸模型計算出基矩陣Ψ，其中Ψ的元素ψ_i,j等于第i個格點處收到的來自第j個格點處的接收信號強度，近似等于：