本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種多移動(dòng)模式無線節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)距離估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：在靜態(tài)距離估計(jì)中，影響估計(jì)結(jié)果的因素多在于采集設(shè)備信號(hào)的靈敏度及其計(jì)算環(huán)節(jié)處理的準(zhǔn)確度。但在動(dòng)態(tài)距離估計(jì)中，除上述影響外，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置不斷改變，移動(dòng)測(cè)量和周圍環(huán)境變動(dòng)也會(huì)使得RSSI測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致RSSI數(shù)據(jù)具有更多的不確定性，使得不同模式速度下的距離估計(jì)更加困難。為克服RSSI數(shù)據(jù)的不確定性，通常采用聚類的方法處理數(shù)據(jù)。一般通過簇中心來表示RSSI數(shù)據(jù)分布特征，用聚類的方法進(jìn)行距離估計(jì)。但該方法僅能解決靜態(tài)場(chǎng)景問題，沒考慮在動(dòng)態(tài)情況下，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)RSSI數(shù)據(jù)流的干擾，影響了距離估計(jì)的精度。采用簡單滑動(dòng)窗口模式匹配的方法進(jìn)行RSSI-D估計(jì)，可以克服動(dòng)態(tài)RSSI數(shù)據(jù)流估計(jì)困難的同時(shí)，提升RSSI-D估計(jì)的準(zhǔn)確度。但該方法又過于強(qiáng)調(diào)對(duì)勻速移動(dòng)單一模式的適應(yīng)性，而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)保持絕對(duì)的勻速移動(dòng)并不常見，對(duì)于勻變速以及變加速移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，該方法不能保證動(dòng)態(tài)RSSI-D估計(jì)的準(zhǔn)確度。因此，為包容節(jié)點(diǎn)移動(dòng)中RSSI數(shù)據(jù)流和節(jié)點(diǎn)速度的不確定性，以及RSSI數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性，需要一種多移動(dòng)模式下，對(duì)無線節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)距離估計(jì)方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了克服節(jié)點(diǎn)移動(dòng)中呈現(xiàn)的RSSI數(shù)據(jù)流和節(jié)點(diǎn)速度的不確定性，以及RSSI數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性影響了距離估計(jì)的精度這些問題，提供一種多移動(dòng)模式無線節(jié)點(diǎn)距離的動(dòng)態(tài)估計(jì)方法。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述的多移動(dòng)模式無線節(jié)點(diǎn)距離的動(dòng)態(tài)估計(jì)方法包括以下步驟：步驟1.在動(dòng)態(tài)估計(jì)之前，錨節(jié)點(diǎn)事先測(cè)量位于不同距離點(diǎn)的無線節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信號(hào)強(qiáng)度RSSI，確定信號(hào)強(qiáng)度與距離的映射關(guān)系RSSI-D；對(duì)RSSI數(shù)據(jù)聚類，形成簇中心集合CCS，可建立基于測(cè)量點(diǎn)距離D和簇中心CCS的映射關(guān)系曲線CCDC；步驟2.根據(jù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)初始速度V0和加速度a，確定距離與時(shí)間的映射關(guān)系，進(jìn)一步確定信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間的映射關(guān)系RSSI-T，同時(shí)更新得到基于時(shí)間軸的簇中心映射曲線CCTC；步驟3.在動(dòng)態(tài)估計(jì)中，隨著無線節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，錨節(jié)點(diǎn)以固定時(shí)間間隔Δt實(shí)時(shí)測(cè)量無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的RSSI數(shù)據(jù)流，在當(dāng)前時(shí)刻tk＝t0+kΔt，k≥0，t0表示初始時(shí)刻，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離，通過對(duì)所測(cè)量得到的數(shù)據(jù)窗口，在CCTC上通過滑動(dòng)窗口匹配進(jìn)行確定；其中，當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配前，需進(jìn)行測(cè)量間隔對(duì)等處理；對(duì)無線節(jié)點(diǎn)在以勻速、勻變速和變加速模式直線移動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)距離估計(jì)方法分別為：步驟3-1.當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，V0≠0，a＝0，對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)窗口通過一次線性變換進(jìn)行間隔對(duì)等處理，變換后形成的滑動(dòng)窗口就可以一直在CCTC上進(jìn)行時(shí)間對(duì)等的滑動(dòng)匹配，直至滿足滑動(dòng)匹配的標(biāo)準(zhǔn)，以此估計(jì)出無線節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；步驟3-2.當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)以勻變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，V0≠0，a為非0常數(shù)，數(shù)據(jù)窗口遍歷CCTC上所有可能的參考窗口進(jìn)行滑動(dòng)匹配；測(cè)量提取的數(shù)據(jù)窗口每次與參考窗口進(jìn)行匹配前，均進(jìn)行一次間隔對(duì)等處理，此時(shí)形成滑動(dòng)窗口進(jìn)行滑動(dòng)匹配；最后，基于滑動(dòng)匹配的標(biāo)準(zhǔn)，估計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離；步驟3-3.當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)以變加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，V0≠0，a→0，需要根據(jù)CCTC對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔的變化，決定是否對(duì)提取的數(shù)據(jù)窗口通過多次線性處理進(jìn)行間隔對(duì)等處理：若CCTC對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔呈非線性變化，則按照步驟3-2的方法處理；若CCTC對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為等間距，則按照步驟3-1的方法處理。具體的，所述映射關(guān)系曲線CCDC的形成過程為：以錨節(jié)點(diǎn)為起始點(diǎn)的直線上建立N個(gè)等間距測(cè)量位置點(diǎn)，并以測(cè)量點(diǎn)距離D＝{d1，d2，...，dN}進(jìn)行標(biāo)示；節(jié)點(diǎn)位于每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)記錄m次節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的RSSI值；錨節(jié)點(diǎn)完成對(duì)N個(gè)測(cè)量點(diǎn)的RSSI信號(hào)采樣后，形成樣本數(shù)據(jù)集A：A＝{(d1，RSSI1，)，…，(di，RSSIi，)，…，(dN，RSSIN，)}，其中RSSIi，＝{RSSIi，1，RSSIi，2，，…，RSSIi，m}；設(shè)定每個(gè)測(cè)量點(diǎn)di處對(duì)應(yīng)的RSSI測(cè)量數(shù)據(jù)服從高斯分布特征，計(jì)算RSSI信號(hào)樣本的均值μi和標(biāo)準(zhǔn)差σi，形成RSSI樣本數(shù)據(jù)的簇中心集合CCS＝{μ1，μ2，...，μN(yùn)}，根據(jù)集合CCS和測(cè)量點(diǎn)集合D＝{d1，d2，...，dN}，可建立基于測(cè)量點(diǎn)距離D和簇中心CCS的映射關(guān)系曲線CCDC：CCS→f(D)。具體的，所述簇中心映射曲線CCTC的形成過程為：首先基于勻變速公式解得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)D＝{d1，d2，...，dN}處，以當(dāng)前速率移動(dòng)時(shí)的對(duì)應(yīng)的時(shí)間測(cè)量點(diǎn)T＝{T1，T2，...，TN}，從而確定距離D與時(shí)間T的映射：D→T，基于先驗(yàn)映射CCDC：CCS→f(D)，更新得到基于時(shí)間軸的簇中心映射曲線CCTC：CCS→f(T)。所述數(shù)據(jù)窗口是指：錨節(jié)點(diǎn)以當(dāng)前tk時(shí)刻及其之前w-1個(gè)時(shí)刻所記錄的RSSI值，可以形成一個(gè)寬度為w的數(shù)據(jù)窗口Sk＝{sk-w+1，sk-w+2，...，sk}。所述滑動(dòng)窗口Sk′為數(shù)據(jù)窗口Sk＝{sk-w+1，sk-w+2，...，sk}經(jīng)測(cè)量間隔對(duì)等處理得出，所述測(cè)量間隔對(duì)等處理具體為：在簇中心映射曲線CCTC上，定義寬度同為w的參考窗口CCSi＝{μi-w+1，μi-w+2…μi}，基于CCS→f(T)關(guān)系可確定參考窗口中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列{Ti-w+1，Ti-w+2，…，Ti}；以窗口Sk中的末端值sk為不變點(diǎn)，利用公式(I)對(duì)數(shù)據(jù)窗口Sk中的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行線性迭代變換，得到變換后的數(shù)據(jù)窗口稱為滑動(dòng)窗口SK′＝{sk-w+1′，sk-w+2′，...，sk}；sk-1′-sksk-1-sk=Ti-Ti-1Δt...sk-w+1′-sk-w+2′sk-w+1-sk-w+2=Ti-w+2-Ti-w+1Δt---(I)]]>其中，k≥w，Δt≠Ti-Ti-1，w≤i≤N。具體的，所述通過滑動(dòng)窗口匹配的過程為：在由RSSI-T關(guān)系確定的簇中心映射曲線CCTC上，滑動(dòng)窗口Sk′中的每個(gè)數(shù)據(jù)逐個(gè)與寬度同為w的參考窗口CCSi＝{μi-w+1，μi-w+2…μi}進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，計(jì)算兩個(gè)窗口對(duì)應(yīng)位置上數(shù)據(jù)之間的差異和M，其中M＝|sk-w+1′-μi-w+1|+…+|sk-μi|，w≤i≤N；參考窗口滿足滑動(dòng)匹配的標(biāo)準(zhǔn)為：與滑動(dòng)窗口具有最小的差異和，即滿足式(II)的參考窗口CCSi；MinM=|sk-w+1′-μi-w+1|+...+|sk-μi|S.T.1≤w≤N,w≤k---(II)]]>基于CCS→f(D)與滑動(dòng)窗口末端值sk不變的原則，該參考窗口CCSi的末端值μi所對(duì)應(yīng)的di，即為第tk時(shí)刻移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：將經(jīng)典的RSSI-D的估計(jì)過程，由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的匹配模式，延伸為多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的窗口匹配模式，對(duì)數(shù)據(jù)窗口間隔對(duì)等處理，形成時(shí)間差比可變的彈性滑動(dòng)窗口，通過提高模式匹配的多樣化，克服了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度不確定性問題，保證了動(dòng)態(tài)距離估計(jì)精度。附圖說明圖1是動(dòng)態(tài)距離估計(jì)示意圖。圖2是無線節(jié)點(diǎn)以多種模式移動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)滑動(dòng)匹配示意圖。其中圖2(a)是勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖2(b)是勻變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖2(c)是變加速運(yùn)動(dòng)時(shí)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。實(shí)例中采用的無線節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)均以CC2530模塊為核心；利用上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨節(jié)點(diǎn)收集的無線節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)。后文不引起歧義的情況下，無線節(jié)點(diǎn)簡稱為節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明包括離線映射與在線匹配估計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)。離線映射中，給定錨節(jié)點(diǎn)且其位置固定，基于與錨節(jié)點(diǎn)距離差異，設(shè)定多個(gè)測(cè)量位置點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)多次記錄節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的RSSI信息。通過統(tǒng)計(jì)分析得到RSSI值與各個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離的對(duì)應(yīng)特征，建立RSSI值與測(cè)量點(diǎn)距離D的映射關(guān)系。在線匹配估計(jì)中，節(jié)點(diǎn)以初始速度V0和加速度a遠(yuǎn)離錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，并不斷向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI信息，錨節(jié)點(diǎn)每隔Δt記錄一次RSSI信息，形成RSSI值數(shù)據(jù)流?；谝苿?dòng)節(jié)點(diǎn)初始速度V0和加速度a，可將RSSI值與測(cè)量點(diǎn)距離D的映射關(guān)系等價(jià)為RSSI值與時(shí)間T的映射關(guān)系；在錨節(jié)點(diǎn)記錄形成的RSSI值數(shù)據(jù)流中，提取出RSSI數(shù)據(jù)窗口，對(duì)數(shù)據(jù)窗口間隔對(duì)等處理，形成易與RSSI值和時(shí)間T映射匹配的滑動(dòng)窗口，從而進(jìn)行距離估計(jì)。如圖1所示，具體實(shí)施流程如下：先離線建立RSSI與測(cè)量點(diǎn)距離D的映射曲線關(guān)系CCDC和根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)初始速度V0和加速度a，建立的信號(hào)強(qiáng)度RSSI與時(shí)間T的映射曲線關(guān)系CCTC。步驟1：RSSI采樣：在給定區(qū)域I2中放置一個(gè)已知錨節(jié)點(diǎn)Anch。在以錨節(jié)點(diǎn)為起始點(diǎn)的直線上建立若干個(gè)測(cè)量位置點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量位置點(diǎn)之間的距離相等。對(duì)于不同的測(cè)量位置點(diǎn)，設(shè)以測(cè)量點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的距離di，i＝1，2…，N進(jìn)行區(qū)分標(biāo)示。節(jié)點(diǎn)位于每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)記錄m次節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的RSSI值。在完成N個(gè)測(cè)量點(diǎn)的采樣后，形成樣本數(shù)據(jù)集A：A＝{(d1，RSSI1)，…，(di，RSSIi)，…，(dN，RSSIN)}，其中1≤i≤N。步驟2：離線映射：為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)di處的樣本數(shù)據(jù)建立一個(gè)簇Ci＝{di，(RSSIi，1，RSSIi，2，…RSSIi，m)}，以反映通信距離與RSSI值之間的關(guān)系，并設(shè)均值μi為簇Ci的簇中心(簡稱簇心)，建立RSSI樣本數(shù)據(jù)的簇中心集合(ClusterCenterSample，CCS)，可表示為：CCS＝{μ1，μ2，...，μN(yùn)}。接著，根據(jù)集合CCS和測(cè)量點(diǎn)集合D＝{d1，d2，...，dN}，可建立基于距離D和簇中心CCS的映射關(guān)系曲線(ClusterCenterDistanceCurve，CCDC)：CCS→f(D)。步驟3：在線等價(jià)映射：基于勻變速公式可解得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)D＝{d1，d2，...，dN}處的當(dāng)前速率的時(shí)間測(cè)量點(diǎn)T＝{T1，T2，...，TN}，從而確定距離D與時(shí)間T的映射：D→T，基于離線過程中的先驗(yàn)映射CCDC：CCS→f(D)，更新得到基于時(shí)間軸的簇中心映射曲線CCTC(ClusterCenterTimeCurve)：CCS→f(T)。步驟4：窗口提取與線性變換：在tk＝t0+kΔt，k≥0時(shí)刻，錨節(jié)點(diǎn)Anch提取當(dāng)前tk時(shí)刻及其之前w-1個(gè)時(shí)刻所記錄的RSSI值，形成一個(gè)寬度為w的數(shù)據(jù)窗口Sk＝{sk-w+1，sk-w+2，…，sk}。但由于存在Δt≠Ti-Ti-1，w≤i≤N，其中Δt為數(shù)據(jù)窗口Sk對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，Ti-Ti-1為CCTC曲線對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，Sk無法在CCTC曲線上進(jìn)行時(shí)間對(duì)等的滑動(dòng)匹配，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)窗口通過線性變化對(duì)間隔對(duì)等處理。以窗口Sk中的末端值sk為不變點(diǎn)，基于時(shí)間間隔比Ti-Ti-1/Δt，對(duì)Sk中的數(shù)值依次進(jìn)行線性迭代變換，得到變換后的數(shù)據(jù)窗口(稱為滑動(dòng)窗口)Sk′{sk-w+1′，sk-w+2′，...，sk}。線性迭代公式如式(I)所示。sk-1′-sksk-1-sk=Ti-Ti-1Δt...sk-w+1′-sk-w+2′sk-w+1-sk-w+2=Ti-w+2-Ti-w+1Δt---(I)]]>步驟5：滑動(dòng)匹配：所謂滑動(dòng)匹配就是在簇中心曲線CCTC上，搜索一個(gè)寬度同為w的參考窗口CCSi＝{μi-w+1，μi-w+2…μi}，w≤i≤N，使得滑動(dòng)窗口Sk′中的每個(gè)元素與其具有最小的差異和，即滿足式(II)。此時(shí)得到的CCSi為與滑動(dòng)窗口最匹配的參考窗口?；贑CS→f(T)與滑動(dòng)窗口末端值sk不變的原則，該參考窗口CCSi的末端值μi所對(duì)應(yīng)的di，即為第tk時(shí)刻移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離MinM=|sk-w+1′-μi-w+1|+...+|sk-μi|S.T.1≤w≤N,w≤k---(II)]]>如圖2(a)所示，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)勻速運(yùn)動(dòng)(V0≠0，a＝0)時(shí)，基于式(I)對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)窗口通過一次線性變換進(jìn)行間隔對(duì)等處理，變換后形成的滑動(dòng)窗口就可以一直在CCTC上進(jìn)行時(shí)間對(duì)等的滑動(dòng)匹配，在匹配所有的參考窗口后，尋找滿足式(II)的參考窗口CCSi，進(jìn)而估計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。如圖2(b)所示，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以勻變速運(yùn)動(dòng)(V0≠0，a≠0且為常數(shù))時(shí)，數(shù)據(jù)窗口遍歷CCTC上所有可能的參考窗口進(jìn)行滑動(dòng)匹配。測(cè)量提取的數(shù)據(jù)窗口每次與參考窗口進(jìn)行匹配前，均基于式(I)通過線性變化進(jìn)行一次間隔對(duì)等處理，此時(shí)形成滑動(dòng)窗口進(jìn)行滑動(dòng)匹配。最后，在匹配所有的參考窗口后，尋找滿足式(II)的參考窗口CCSi，進(jìn)而估計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。如圖2(c)所示，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以變加速運(yùn)動(dòng)(V0≠0，a→0)時(shí)，需要根據(jù)CCTC對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔的變化，決定是否對(duì)提取的數(shù)據(jù)窗口通過多次線性處理進(jìn)行間隔對(duì)等處理：若CCTC對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔呈非線性變化，則采用類似于無線節(jié)點(diǎn)勻變速運(yùn)動(dòng)時(shí)的匹配方法進(jìn)行滑動(dòng)匹配，即：數(shù)據(jù)窗口遍歷CCTC上所有可能的參考窗口進(jìn)行滑動(dòng)匹配，測(cè)量提取的數(shù)據(jù)窗口每次與參考窗口進(jìn)行匹配前，均基于式(I)通過線性變化進(jìn)行一次間隔對(duì)等處理；若CCTC對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為等間距，則采用類似于無線節(jié)點(diǎn)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的匹配方法進(jìn)行滑動(dòng)匹配，即基于式(I)對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)窗口通過一次線性變換進(jìn)行間隔對(duì)等處理，變換后形成的滑動(dòng)窗口就可以一直在CCTC上進(jìn)行時(shí)間對(duì)等的滑動(dòng)匹配，直至匹配到CCTC最后一個(gè)參考窗口；最后，在匹配完所有的參考窗口后，尋找滿足式(II)的參考窗口CCSi，進(jìn)而估計(jì)出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。當(dāng)前第1頁1 2 3