[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于多目標(biāo)演化模型的無(wú)線傳感網(wǎng)多信道測(cè)距優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010007438.8
• 申請(qǐng)日: 2020-01-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111182567B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方旭明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 金陵科技學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): H04W24/02
• 分類(lèi)號(hào): H04W24/02;H04W64/00;H04W84/18;G01S5/02;G01S11/06
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專(zhuān)利代理有限公司 32206
• 代理人: 周新亞

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多目標(biāo)演化模型的無(wú)線傳感網(wǎng)多信道測(cè)距優(yōu)化方法，包括以下步驟：設(shè)置多信道頻率：發(fā)射多信道信號(hào)：測(cè)量多信道RSSI：加權(quán)多信道F²RSSI：生成決策向量：迭代第一目標(biāo)函數(shù)：迭代第二目標(biāo)函數(shù)：演化決策向量；獲得節(jié)點(diǎn)距離：采用本發(fā)明方法能夠避免事先進(jìn)行無(wú)線電傳播模型參數(shù)的訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境的自適應(yīng)能力，大大提高了復(fù)雜環(huán)境無(wú)線傳感網(wǎng)測(cè)距定位的精度，同時(shí)本發(fā)明方法不使用參考節(jié)點(diǎn)，方便了測(cè)距定位在大規(guī)模無(wú)線傳感網(wǎng)中的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線傳感網(wǎng)測(cè)距定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于多徑環(huán)境大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位的基于多目標(biāo)演化模型的多信道測(cè)距優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

目前，定位服務(wù)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用服務(wù)，尤其是在工業(yè)機(jī)器人制造、無(wú)人駕駛汽車(chē)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。定位技術(shù)通常被劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于測(cè)距的定位技術(shù)，另一類(lèi)則是基于非測(cè)距的定位技術(shù)。通常情況下，基于非測(cè)距的定位技術(shù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的連接信息來(lái)推測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置，定位精度不高，而基于測(cè)距的定位技術(shù)一般是依據(jù)某種距離量的測(cè)量來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置，定位精度較高，因此更加適合被用于提供高精度的定位服務(wù)。

在各種高精度定位服務(wù)使用的測(cè)距方法中，全球定位系統(tǒng)(GPS)等基于到達(dá)時(shí)間(TOA) 的測(cè)距對(duì)時(shí)鐘同步有非常高的要求，而基于到達(dá)角度(AOA)的測(cè)距則需要多個(gè)天線陣列。因此，這些測(cè)距方法會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的尺寸、功耗和成本。目前，接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)可以直接從很多廉價(jià)無(wú)線通信芯片中的RSSI寄存器讀出，利用RSSI進(jìn)行距離估計(jì)不會(huì)增加節(jié)點(diǎn)能耗，也無(wú)需其他附加硬件，是一種易于部署、成本低廉的測(cè)距方法。因此，基于RSSI的測(cè)距方法非常適用于大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位服務(wù)。

在基于RSSI的測(cè)距方法中通常使用三種節(jié)點(diǎn)：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是發(fā)射信號(hào)的節(jié)點(diǎn)，位置是已知的，通常也被稱(chēng)作錨節(jié)點(diǎn)；參考節(jié)點(diǎn)是與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離已知的節(jié)點(diǎn)，測(cè)量的RSSI將作為測(cè)距的參數(shù)；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離未知的待測(cè)距節(jié)點(diǎn)，接收的RSSI是估計(jì)距離的依據(jù)。傳統(tǒng)基于RSSI的測(cè)距方法(以下稱(chēng)為方法一)使用的無(wú)線信號(hào)傳播模型如下所示：

其中，d表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，d₀表示參考節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離；P_r是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的RSSI，P₀是參考節(jié)點(diǎn)測(cè)量的RSSI；n_p表示信號(hào)強(qiáng)度的路徑衰減指數(shù)，該參數(shù)與節(jié)點(diǎn)部署的環(huán)境有關(guān)。

方法一分為兩個(gè)步驟：首先，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取若干個(gè)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離不同的節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行RSSI測(cè)量，得到距離和RSSI組合值的樣本，通過(guò)公式(1)進(jìn)行參數(shù)擬合得到n_p，這一步驟通常被稱(chēng)為訓(xùn)練或?qū)W習(xí)；然后，再由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行RSSI測(cè)量，通過(guò)公式 (1)完成距離估計(jì)。

方法一存在兩個(gè)方面的問(wèn)題。一個(gè)方面是訓(xùn)練需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和能耗，以獲得距離和RSSI組合值樣本進(jìn)行路徑衰減指數(shù)的擬合；另一個(gè)方面是用于訓(xùn)練的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的多徑環(huán)境其實(shí)并不相同，這種訓(xùn)練的方法得到的路徑衰減指數(shù)是對(duì)“整體多徑環(huán)境”的描述，因此與不同節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際情況存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致距離估計(jì)的偏差較大。

不同于傳統(tǒng)的方法只選擇一個(gè)固定的信道發(fā)射測(cè)距信號(hào)，一種基于多信道RSSI的測(cè)距方法 [Zhang,D.,et al.:‘On distinguishing the multiple radio paths in RSS-based ranging’.Proc IEEE INFOCOM,2012,pp.2201-2209](以下稱(chēng)為方法二)被提出。方法二依次在若干不同的信道上發(fā)射信號(hào)，利用不同信道測(cè)量的RSSI值進(jìn)行待測(cè)距離的估算。該方法免去了方法一擬合路徑衰減指數(shù)的訓(xùn)練過(guò)程，但其距離估算的方法為最小二乘法，容易陷入局部最優(yōu)。另外，為了減小不同節(jié)點(diǎn)間天線增益對(duì)測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生的偏差，該方法需要事先通過(guò)訓(xùn)練獲得節(jié)點(diǎn)間的天線增益。