張佳,劉艷昌,王鮮芳（.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;.河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453007）

信號不規(guī)則特性對WSN定位算法評價的影響

張佳1,劉艷昌1,王鮮芳2
（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003;2.河南師范大學(xué),河南新鄉(xiāng)453007）

在評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位算法性能時,大多是基于理想的無線信號傳播模式,從而導(dǎo)致測試結(jié)果與實際情況相差較大.針對這種情況,研究了WSN在實際環(huán)境下無線信號表現(xiàn)出的不規(guī)則特性及對自身定位過程的影響,并將RIM模型引入到算法測算的過程中.實驗結(jié)果表明,信號的不規(guī)則特性對于定位算法的評價有著較為明顯的影響.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；自身定位算法；信號不規(guī)則特性；信號不規(guī)則模型

節(jié)點自身定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用的基礎(chǔ)[1-2].在WSN的定位算法中,非參考節(jié)點要依據(jù)參考節(jié)點的位置信息進行自我定位,如文獻[3-7]所列舉的算法.因此參考節(jié)點是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,參考節(jié)點所提供的位置信息直接決定定位算法性能的優(yōu)劣.在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在一個較大的問題,在對定位算法進行評價時所設(shè)定的研究背景大多都是明顯或隱晦地基于理想的無線信號傳播模式.這樣做雖然降低了測試難度,但由于在真實環(huán)境下無線信號的傳播會表現(xiàn)出高度的各向異性,導(dǎo)致評價結(jié)果與實際情況相差較遠.

針對這種情況,本文研究了在真實環(huán)境下無線信號傳播所表現(xiàn)出的不規(guī)則特性對自身定位過程的影響,并將RIM模型引入到傳感器算法評價的體系中,從而能夠在進行算法測定時盡可能接近實際情況,為定位算法的評價研究提供真實的參考依據(jù).

1 信號傳播不規(guī)則特性的分析

1.1 信號傳播不規(guī)則特性的原因

信號在傳播過程中會表現(xiàn)出高度的不規(guī)則特性,該特性主要來源于兩個方面：設(shè)備和傳播媒介.設(shè)備如天線（單向或雙向）、發(fā)射功率、天線增益、接收敏感度、接收門限和信噪比；媒介特性包括媒介類型、背景噪聲以及其它一些環(huán)境因素,諸如溫度和傳播媒介的阻抗.而這其中傳播媒介路徑損耗的各向異性和信號發(fā)射的差異是造成信號不規(guī)則特性的主要原因.

路徑損耗的各向異性：信號在不同路徑上傳播損耗的差異是信號不規(guī)則特性的主要原因.信號在媒介中傳播時,可能會發(fā)生反射、衍射和散射現(xiàn)象,這些現(xiàn)象均是由于媒介中無所不在的差異引起的,在各個方向上媒介的特性自然都是不同的,因此在大多數(shù)環(huán)境下信號傳播都會表現(xiàn)出不規(guī)則特性.

信號發(fā)射的差異：即使是相同類型的裝置,傳感器節(jié)點所發(fā)射的RF信號的功率也可能會不同,這可能來自于傳感器裝置制造中的隨機因素.另外,在傳感器節(jié)點部署完畢后,由于工作負(fù)載和所處環(huán)境的不同,傳感器裝置中的電池消耗速度會不相同,這都會導(dǎo)致信號發(fā)射的差異.信號發(fā)射的差異會導(dǎo)致通信區(qū)域的不同,引起通信連接的各向異性.

1.2 信號傳播不規(guī)則特性的影響

無線信號傳播的不規(guī)則特性在WSN節(jié)點的通信中是一個不可忽視的現(xiàn)象.它是造成上層協(xié)議中非對稱無線信號沖突和非對稱鏈接的主要原因,直接或間接影響許多上層協(xié)議,例如MAC和路由層協(xié)議、定位算法的運行、傳感聚合和拓?fù)淇刂茀f(xié)議.

2 RIM模型分析

無線信號不規(guī)則傳輸模型（Radio Irregularity Model,RIM）是2004年提出的[8],該模型以同向信號傳播模型為基礎(chǔ),而同向信號傳播模型則是目前在評價傳感器網(wǎng)絡(luò)性能時所主要依據(jù)的研究背景.在同向信號傳播模型中,信號接收強度的公式為

式（1）中,RSS為Received SignalStrength,即信號接收強度；SP為Sending Power,即發(fā)射功率,它是由電池狀態(tài),發(fā)射機、放大器和天線類型決定的；PL為Path Loss,即路徑損耗；F代表Fading即為信號衰減.

而為了表示信號真實傳播情況下的各向異性,RIM將信號接收強度公式改進為

式（2）中,VSP表示變化發(fā)送功率（Variance ofSending Power）,它代表不同裝置之間信號發(fā)送功率最大程度的變化,計算公式為

在以上公式中,認(rèn)為發(fā)送功率的變化服從正態(tài)分布,它被廣泛用于度量硬件所引起的差異.

DOI表示不規(guī)則度模型（Degree of Irregularity）,而DOI Adjusted PL=PL×Ki,Ki是代表不同方向上路徑損耗不同的系數(shù).計算方法是

根據(jù)式（4）,通過隨機鎖定一個方向作為起始方向,計算出360度方向上不同的Ki值.對于角度不為整數(shù)的情況,結(jié)合傳輸損耗變化連續(xù)性的特點可以依據(jù)相鄰兩個整數(shù)角度上的Ki值根據(jù)式（4）進行推導(dǎo)得出

式（5）中對于系數(shù)Ki的調(diào)整結(jié)合式（2）,即可得到連續(xù)方向上的信號強度.連續(xù)方向上信號接收強度（dBm）的變化遵從Weibull分布.Weibull分布是描述非正態(tài)分布的常用統(tǒng)計模型,可以在很寬泛的條件下與實驗數(shù)據(jù)進行很好的匹配,所以Weibull分布能很好地描述多種雜波[8].

RIM主要是用于測算對于通信的影響,并未用于對算法影響的測算.本文將RIM模型引入到算法評價的過程中.

3 實現(xiàn)過程

對RIM模型中的非同向特性進行模擬,首先就是要計算各個傳感器節(jié)點周邊360度不同方向上的路徑傳輸損耗,根據(jù)式（4）,對于每個節(jié)點來說,首先應(yīng)為其隨機生成一個角度作為起始角度,將該角度上的損耗系數(shù)設(shè)為1,以該起始角度為開始運用Weibull分布函數(shù)計算出每個角度上的Weibull系數(shù),結(jié)合各個角度上生成的隨機數(shù)對DOI模型進行調(diào)整,從而根據(jù)式（4）計算出各個角度上的傳輸損耗系數(shù)Ki.

在得到節(jié)點各個角度上的傳輸損耗系數(shù)的基礎(chǔ)上,對各個節(jié)點之間的相對角度進行計算,從而得到對應(yīng)每兩個節(jié)點間傳輸路徑上的損耗系數(shù),并根據(jù)信號傳輸損耗連續(xù)性的特點,通過式（5）進行調(diào)整,使得到的損耗系數(shù)更接近真實環(huán)境,再根據(jù)傳輸損耗系數(shù)對信號傳輸功率損耗進行調(diào)整計算.

根據(jù)發(fā)送功率的變化服從正態(tài)分布的特點,對由于硬件標(biāo)度和電池狀態(tài)的不同所引起的變化發(fā)送功率進行計算,最后依據(jù)式（2）,得到包括參考節(jié)點和未知節(jié)點在內(nèi)各個節(jié)點相互之間彼此所能接收到的信號強度.

分別根據(jù)參考節(jié)點和未知節(jié)點的信號接收門限值來計算實際中所能接收到有效信息的參考節(jié)點和未知節(jié)點.這里分三種情況來考慮：如果參考節(jié)點A和未知節(jié)點U之間能夠建立起有效對稱鏈接,符合該條件的參考節(jié)點自然能夠用于對未知節(jié)點的定位；如果存在從參考節(jié)點A到未知節(jié)點U的非對稱鏈接,此時參考節(jié)點的位置信息仍能被傳送到未知節(jié)點,也可以利用該參考節(jié)點對未知節(jié)點進行定位；但如果只是存在從未知節(jié)點U到參考節(jié)點A的非對稱鏈接,就舍棄該參考節(jié)點參加定位,因為參考節(jié)點A的位置信息無法被傳送到未知節(jié)點U.以上這些情況對于僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息實現(xiàn)定位的算法來說,影響是非常大的.下面,將對定位算法在理想球狀信號和不規(guī)則信號傳播模式下的表現(xiàn)進行對比.

4 性能比較

在上述分析的基礎(chǔ)上,本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中參考節(jié)點發(fā)送的信號在計算機仿真環(huán)境下進行了模擬.

選取定位算法中較為常用的APIT和DV-HOP算法進行比較,在下面的實驗中,除非特別說明,所有的傳感器節(jié)點被隨機均勻放置在200 m×200 m的正方形區(qū)域內(nèi)；節(jié)點發(fā)送功率為-5 dBm,接收門限為-70 dBm,在自由空間環(huán)境下每個傳感器節(jié)點的無線信號傳播半徑是48.9 m；Weibull分布參數(shù)的值設(shè)置為[0.16,0.67],每個實驗均獨立運行100次取平均結(jié)果.

在實驗中以平均定位誤差和平均定位比例剩余作為算法的對比性能指標(biāo).平均定位誤差是所有節(jié)點的估測位置和真實位置之間相差的平均距離,在實驗中用節(jié)點的通信距離將其歸一化.平均定位比例剩余是指在若干輪定位之后未得到定位的未知節(jié)點占未知節(jié)點總數(shù)的比例,反映了算法的收斂速度.

4.1 變化參考節(jié)點數(shù)

實驗將討論參考節(jié)點數(shù)的變化對于定位算法的影響,設(shè)定節(jié)點總數(shù)為200個,標(biāo)準(zhǔn)差為20 m,參考節(jié)點數(shù)從20增加到100個,參數(shù)VSP取0.1,DOI取0.002.

圖1變化參考節(jié)點數(shù)Fig.1 Reference numberofvarieties

圖1 （a）說明基于RIM模型的兩種算法的誤差都要高于理想情況下的算法,這其中APIT算法的表現(xiàn)更為明顯.圖1（b）說明基于RIM模型的APIT算法的定位比例剩余要高于理想APIT算法.出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是無線信號的不規(guī)則特性干擾了部分參考節(jié)點參與定位.

總之,無線信號的不規(guī)則特性對于APIT的影響更為明顯.這主要是由于APIT算法定位過程中的三角定位嚴(yán)格限制特性引起的,這將導(dǎo)致該算法更易受信號不規(guī)則特性的影響.

4.2 變化標(biāo)準(zhǔn)差

在定位過程中,由于各種原因參考節(jié)點的位置信息難免出現(xiàn)誤差,而標(biāo)準(zhǔn)差的變化反映了定位信息的變化范圍.在這個實驗中,將分析在標(biāo)準(zhǔn)差從20 m增加到100 m的過程中對于定位算法的影響.總數(shù)為200個節(jié)點中有參考節(jié)點48個,設(shè)定出現(xiàn)偏差的節(jié)點為20%.

圖2（a）說明標(biāo)準(zhǔn)差的變化對于APIT算法的影響同樣更為明顯,原因與上一個實驗類似.圖2（b）說明隨著標(biāo)準(zhǔn)差的增加,兩種情況下APIT算法的定位比例剩余都出現(xiàn)了下降,且變化趨勢也幾乎一致.這種結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)差的增加反而增大了APIT算法中三角定位的成功概率.

圖2 變化標(biāo)準(zhǔn)差Fig.2 Standard deviation ofvarieties

4.3 變化DOI

參數(shù)DOI的變化影響定位中的連通性,實驗中同樣設(shè)置包括48個參考節(jié)點的200個節(jié)點.將分析在DOI的值由0.002增加到0.01的過程中,兩種基于RIM模型定位算法的表現(xiàn).

圖3變化DOIFig.3 DOI ofvarieties

圖3 （a）表明APIT的誤差隨DOI的增大顯著增加,而DV-HOP算法對于DOI的變化并不明顯.圖3（b）說明DOI的變化對兩種算法的定位比例剩余幾乎沒有影響.

4.4 變化VSP

在這個實驗中,DOI設(shè)定為0.002,而VSP從0.2增加到1,其他設(shè)置與4.3相同.

圖4變化VSPFig.4 Change of VSP

圖4 （a）表明,相對于DV-HOP算法,在定位誤差方面VSP的變化對于APIT算法的影響更為顯著.而圖4（b）說明隨著參數(shù)VSP的增大,APIT算法的定位比例剩余迅速增大,在VSP達到0.4時趨于穩(wěn)定；而DV-HOP算法的定位比例剩余則有所下降.說明隨著VSP的增大,提高了DV-HOP算法的定位成功率的同時卻減小了APIT定位算法的定位成功率.表明參數(shù)VSP對于不同的定位算法有著不同的影響,這種現(xiàn)象值得在其他算法上進行繼續(xù)研究.

5 結(jié)語

首先對無線信號傳播的不規(guī)則特性對WSN節(jié)點間定位可能產(chǎn)生的影響進行了分析,實驗表明,現(xiàn)實中所接收信號強度的變化是非常隨機的；然而,伴隨著接收方向的不斷變化,接收到的信號強度的變化也是連續(xù)性的.本文在無線傳感器定位算法的測算過程中引入RIM模型來研究信號的不規(guī)則特性對傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位算法帶來的影響,并進行了對比分析.希望能夠為彌補研究中所應(yīng)用的球形無線信號模型和現(xiàn)實中無線信號傳播模式之間的差異建起一座橋梁,使得能在對定位算法進行研究時盡量接近真實情況.

[1]王小平,羅軍,沈昌祥.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位理論和算法[J].計算機研究與發(fā)展,2011,48（3）：353-363.

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[8]Zhou G,He T,Sudha K,etal.Impactofradio irregularity on wireless sensornetworks[C].Boston：The 2nd MobiSys,2004：125-138.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Research on impact of radio irregularity on performance of selflocalization in WSN

Zhang Jia1,Liu Yanchang1,Wang Xianfang2
（1.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China;2.Henan NormalUniversity, Xinxiang 453007,China）

Nowadays function of self-localization algorithms of WSN is evaluated mostly based on the idealistic radio propagation model,which brings about the results much different from the practical ones．To solve this problem, this paper investigates and analyzes radio signal irregularity under the practical circumstances and its impact on the self-localization algorithms through introducing the RIM into the course of evaluation．The experimental results prove that radio irregularity has an obvious impact on the evaluation of localization algorithms．

Wireless Sensor Network（WSN）；self-location algorithm；radio irregularity；Radio Irregularity Model（RIM）

TP393

A

1008-7516（2013）01-0095-05

10．3969/j．issn．1008-7516．2013．01．023

2012-12-17

國家自然科學(xué)基金(61173071)

張佳(1979-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士,助教．主要從事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究．