專利名稱：基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)通信距離估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)通信距離估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在基于測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)定位系統(tǒng)中，定位的精度在很大程度上取決于錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)(要定位的節(jié)點(diǎn))之間通信距離的估計(jì)精度?？衫没诩t外、聲波、無線電波等傳輸介質(zhì)對距離估計(jì)，出于實(shí)用性、成本等因素的考慮，WSN往往采用低成本的到達(dá)信號強(qiáng)度(Received Signal Strength Indicator, RSSI)。 在基于RSSI的距離(簡稱為“RSSI-D”)估計(jì)時(shí)，由理想信道模型可知，通信距離與RSSI有公式⑴的關(guān)系P(D) [dBm] = P(Dtl) [dBm]-IOnlg (D/DQ)-Xr (I)其中，P(D)表示錨節(jié)點(diǎn)接收到定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的強(qiáng)度^(Dtl)為錨節(jié)點(diǎn)接收到參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的強(qiáng)度為參考節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)間的距離；D為要估計(jì)的未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；11為信道衰減指數(shù)，一般取值2-4 為均值為零、方差為r的高斯噪聲變量。則由公式(2)可得到距離估計(jì)D = D0*10((P(D0)P(D)Xr)/10n) (2)在實(shí)際無線通信系統(tǒng)中，由于無線傳輸反射、折射、多徑傳播、天線增益和障礙物遮擋等諸多環(huán)境因素的影響，造成到達(dá)信號強(qiáng)度具有很強(qiáng)的不確定性，且在不同環(huán)境中、不同通信距離時(shí)的RSSI值所具有的不確定性程度大小也不相同。從圖I-圖3可以看出，RSSI與通信距離D很難滿足如公式(2)的關(guān)系。如果仍按照公式(2)的關(guān)系進(jìn)行RSSI-D估計(jì)時(shí)，勢必造成50%或者更大的誤差。目前眾多的研究集中對靜態(tài)的距離進(jìn)行估計(jì)，而沒有對節(jié)點(diǎn)移動情況下的通信距離估計(jì)進(jìn)行研究。移動情況下的距離估計(jì)和定位更具有挑戰(zhàn)性除了 RSSI的不確定性外，傳感器節(jié)點(diǎn)在移動過程中，由于通信距離改變引起的RSSI值變化，測量得到的RSSI值不再是靜態(tài)的，而是動態(tài)的RSSI數(shù)據(jù)流，因此獲取的RSSI數(shù)據(jù)流具有較大程度的不確定性和動態(tài)性，給這種動態(tài)環(huán)境下的通信距離估計(jì)帶來很大的挑戰(zhàn)。雖然在實(shí)際定位系統(tǒng)中RSSI值具有明顯的動態(tài)和不確定性，但是它們的分布具有一定的統(tǒng)計(jì)特性，相同通信距離的RSSI值就構(gòu)成了一個(gè)簇。若能夠采用一種更加有效地克服RSSI不確定性的方法來實(shí)現(xiàn)相對更為精確的RSSI-D估計(jì)，則能夠?yàn)閃SN定位方法提供良好的計(jì)算條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)通信距離估計(jì)方法，以解決目前沒有對節(jié)點(diǎn)移動情況下的通信距離估計(jì)進(jìn)行研究的問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是所述方法包括以下步驟步驟一、采樣測量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算和簇心表示在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，固定錨節(jié)點(diǎn)的位置，然后移動未知節(jié)點(diǎn)，測量兩者通信的RSSI值形成必要的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差O ;這個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域可表示為[μ -k* σ，μ +k* σ]，其中k為包含因子，且{ke R
O< k < 3}假設(shè)每ー個(gè)通信距離對應(yīng)的RSSI值構(gòu)成一個(gè)簇，則該簇的簇中心為[μ _k* σ，μ +k*σ]；假定通信范圍內(nèi)有N個(gè)RSSI值的簇中心，μ i和Oi分別為ー個(gè)簇的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則簇中心集合CSO可表示為CSO = (C1, C2,…，Cn }= {[μ「k* σ μ j+k* σ J , [ μ 2_k* σ 2，μ 2+k* σ 2]，...，[ μ N_k* σ Ν, μ N+k* σ Ν]},且它們對應(yīng)的距離分別為{D1;D2，-,DnI ；步驟ニ、速度估計(jì),生成簇心集合對于移動的未知節(jié)點(diǎn)(即位置信息未知的傳感器節(jié)點(diǎn))，在某一段時(shí)間內(nèi)以速度V相對于錨節(jié)點(diǎn)(即位置信息已知的傳感器節(jié)點(diǎn))作勻速直線運(yùn)動，估計(jì)其在這段時(shí)間內(nèi) 的運(yùn)動速度V'，在第步驟一中簇中心集合CSO的基礎(chǔ)上生成與速度V'相匹配的簇心集合CS = IC1,…，CP_2，Cp+ Cpl, (I彡P(guān)彡N)，在運(yùn)行過程中，測量到達(dá)無線信號強(qiáng)度RSSI的值St;步驟三、生成聚類序列對于步驟ニ中得到的RSSI值St，如果在移動速度為ν的時(shí)間段內(nèi)的RSSI數(shù)據(jù)長度j小于序列窗ロ大小w,則組成RSSI序列S = {St_j+1,…,StfSt+St}和簇心序列CSj =IC1,…，Cj_2, Cj^1, Cjl，否則組成 RSSI 序列 S = {St_w+1，…，St_2，St_1; Sj 和簇心序列 ={ 、+1，...，。ト2，C”，CjJ ；步驟四、距離計(jì)算計(jì)算S與簇心序列CSj的距離DI^ (S，CSj)DISj(SXSj)= Σ A,(Si-CSff)Dij (Si, CSij) = λ ·υα_λ) .(Iiniun其中λ為相關(guān)系數(shù)，O彡λ彡1，決定著Si與簇心CSij距離極值も_和dimin的組合情況，其中CSiJ = [mx a J , Si = y，則Si與簇心CS。之間距離的最小值和最大值為
陶]Μ1，=二—?！鉪max= |mx-y| + ax步驟五、更新迭代j增加I并對j進(jìn)行判斷，如果j幸P+1時(shí)，則跳轉(zhuǎn)到步驟四；而如果j = P+1時(shí)，求出{DISjS，CSj)}中的最小值DISm (S，CSm)，(I彡m彡P(guān))，并將CSm對應(yīng)的距離Dm作為RSSI值St對應(yīng)的通信距離dt的估計(jì)值輸出，完成一次距離估計(jì)；如果還需要估計(jì)距離則跳轉(zhuǎn)到步驟ニ，應(yīng)用需求不需要距離估計(jì)時(shí)，終止距離估計(jì)過程。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提出ー種基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)RSSI-D估計(jì)方法WDSC-D。首先測量不同通信距離時(shí)的RSSI數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到各個(gè)距離點(diǎn)對應(yīng)RSSI數(shù)據(jù)分布區(qū)域的統(tǒng)計(jì)信息，然后結(jié)合區(qū)間數(shù)方法表示各個(gè)簇中心，然后同時(shí)考慮多個(gè)連續(xù)簇心構(gòu)成的數(shù)據(jù)模式，采用不確定性數(shù)據(jù)流聚類的方法對RSSI數(shù)據(jù)流進(jìn)行動態(tài)RSSI-D估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)較高精度的動態(tài)RSSI-D估計(jì)。


圖I是實(shí)測室內(nèi)走廊環(huán)境通信距離與RSSI之間的關(guān)系，圖2是實(shí)測室內(nèi)大廳環(huán)境通信距離與RSSI之間的關(guān)系，圖3是實(shí)測室外開闊環(huán)境通信距離與RSSI之間的關(guān)系，圖4是節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖，圖5是三種環(huán)境中通信距離估計(jì)誤差隨相關(guān)系數(shù)變化曲線，圖6是三種環(huán)境中通信距離估計(jì)誤差隨包含因子變化曲線，圖7是三種環(huán)境中距離估計(jì)誤差隨聚類序列窗ロ變化曲線，圖8是動態(tài)距離估計(jì)時(shí)間隨聚類序列窗ロ變化曲線。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖I-圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的所述方法包括以下步驟步驟一、采樣測量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算和簇心表示 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，固定錨節(jié)點(diǎn)的位置，然后移動未知節(jié)點(diǎn)，測量兩者通信的RSSI值形成必要的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差0 ;這個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域可表示為[μ _k* σ，μ +k* σ ],其中k為包含因子，且{k e R|0彡k彡3}假設(shè)每ー個(gè)通信距離對應(yīng)的RSSI值構(gòu)成ー個(gè)簇，則該簇的簇中心為；假定通信范圍內(nèi)有N個(gè)RSSI值的簇中心，μ i和Oi分別為ー個(gè)簇的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則簇中心集合CSO可表示為CSO= (C1, C2, ···, CJ= {[ μ「k* σ j, μ j+k* σ J , [ μ 2_k* σ 2，μ 2+k* σ 2]，...，[ μ N_k* σ Ν, μ N+k* σ Ν]},且它們對應(yīng)的距離分別為{D1;D2，-,DnI ；步驟ニ、速度估計(jì),生成簇心集合對于移動的未知節(jié)點(diǎn)(即位置信息未知的傳感器節(jié)點(diǎn))，在某一段時(shí)間內(nèi)以速度ν相對于錨節(jié)點(diǎn)(即位置信息已知的傳感器節(jié)點(diǎn))作勻速直線運(yùn)動，估計(jì)其在這段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動速度V'，在第步驟一中簇中心集合CSO的基礎(chǔ)上生成與速度V'相匹配的簇心集合CS = IC1,…，CP_2，Cp+ Cpl, (I彡P(guān)彡N)，在運(yùn)行過程中，測量到達(dá)無線信號強(qiáng)度RSSI的值St;步驟三、生成聚類序列對于步驟ニ中得到的RSSI值St，如果在移動速度為ν的時(shí)間段內(nèi)的RSSI數(shù)據(jù)長度j小于序列窗ロ大小w,則組成RSSI序列S = {St_j+1,…,StfSt+St}和簇心序列CSj =IC1,…，Cj_2, Cj^1, Cjl，否則組成 RSSI 序列 S = {St_w+1，…，St_2，St_1; Sj 和簇心序列 =
{Cj-W+l，…，し j-2, Cj_!,し j}；步驟四、距離計(jì)算計(jì)算S與簇心序列CSj的距離DIA (S，CSj)DISj(SXSj)= Dij(SiXSij)Dij (Si, CSij) = λ · φ·+(1-λ ) .(Iiniin其中λ為相關(guān)系數(shù)，O彡λ彡1，決定著Si與簇心CSij距離極值も_和dimin的組合情況，其中CSiJ = [mx a J，Si = y，則Si與簇心CS。之間距離的最小值和最大值為[_] =エユア°dmax = I mx-y I + α χ步驟五、更新迭代j增加I并對j進(jìn)行判斷，如果j幸P+1吋，則跳轉(zhuǎn)到步驟四；而如果j = P+1吋，求出{DISjS，CSj)}中的最小值DISm (S，CSm)，(I彡m彡P(guān))，并將CSm對應(yīng)的距離Dm作為RSSI值St對應(yīng)的通信距離dt的估計(jì)值輸出，完成一次距離估計(jì)；如果還需要估計(jì)距離則跳轉(zhuǎn)到步驟ニ，應(yīng)用需求不需要距離估計(jì)時(shí)，終止距離估計(jì)過程。
具體實(shí)施方式
ニ 結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟一中測量兩者通信的RSSI值間隔的距離為O. 1-0. 3m，測量的次數(shù)為100-200次。其他實(shí)施步驟與具體實(shí)施方式
一相同?！?b>具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟ニ間隔1-1. 5s測量到達(dá)無線信號強(qiáng)度RSSI的值St。其他實(shí)施步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖4-圖8說明本實(shí)施方式，實(shí)驗(yàn)條件如表I所示，采用的節(jié)點(diǎn)是自研的CC2530模塊，如圖4所示。通過在三種不同環(huán)境中實(shí)際測得的RSSI數(shù)據(jù)流，評估不同通信環(huán)境下的相關(guān)系數(shù)、包含因子對通信距離估計(jì)誤差的影響，得到這些參數(shù)合適的設(shè)定值。并在不同的通信環(huán)境中，與常用的曲線擬合的方法、基于靜態(tài)不確定性數(shù)據(jù)聚類的估計(jì)方法、確定性的數(shù)據(jù)聚類的估計(jì)等方法比較估計(jì)誤差和效率。為了減小地面環(huán)境對無線傳輸?shù)挠绊?，將?jié)點(diǎn)放置O. 4m的高低。表I實(shí)驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)通信距離估計(jì)方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 步驟一、采樣測量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算和簇心表示 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，固定錨節(jié)點(diǎn)的位置，然后移動未知節(jié)點(diǎn)，測量兩者通信的RSSI值形成必要的樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差O ; 這個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域可表示為[μ -k* O，μ +k* O ],其中k為包含因子,且{k e R O ^ 3}假設(shè)每一個(gè)通信距離對應(yīng)的RSSI值構(gòu)成一個(gè)簇,則該簇的簇中心為[μ -k* O，μ +k* O ]； 假定通信范圍內(nèi)有N個(gè)RSSI值的簇中心，μ 1和(^分別為一個(gè)簇的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則簇中心集合CSO可表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)通信距離估計(jì)方法，其特征在于步驟一中測量兩者通信的RSSI值間隔的距離為O. 1-0. 3m，測量的次數(shù)為100-200次。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)通信距離估計(jì)方法，其特征在于步驟二間隔1-1. 5S測量到達(dá)無線信號強(qiáng)度RSSI的值St。
全文摘要
基于不確定性數(shù)據(jù)流聚類的動態(tài)通信距離估計(jì)方法，它涉及一種動態(tài)通信距離估計(jì)方法。該方法解決目前沒有對節(jié)點(diǎn)移動情況下的通信距離估計(jì)進(jìn)行研究的問題。所述方法包括以下步驟步驟一、采樣測量、統(tǒng)計(jì)計(jì)算和簇心表示；步驟二、速度估計(jì)，生成簇心集合；步驟三、生成聚類序列；步驟四、距離計(jì)算；步驟五、更新迭代。本發(fā)明用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于測距的定位方法中通信距離估計(jì)。
文檔編號H04W84/18GK102857942SQ20121032718
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者彭宇, 劉大同, 羅清華, 潘大為, 彭喜元 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)