本發(fā)明涉及無線距離估計和無線定位技術(shù)。
背景技術(shù)：
實際無線通信環(huán)境中，由于噪聲、環(huán)境和測量誤差等不良因素的影響，引起通信距離估計具有較大的誤差，導(dǎo)致通信距離估計結(jié)果具有很強(qiáng)的不確定性，給通信距離估計精度提高方法，以及通信距離值在后續(xù)處理方法提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對上述問題，本發(fā)明對通信距離估計過程中引起不確定性的各個因素進(jìn)行敏感性分析，分析出導(dǎo)致不確定性的主要因素及機(jī)理，為改善距離估計精度和后續(xù)處理方法提供重要的先驗知識。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決通信距離估計過程中的不確定性敏感性分析和不確定性綜合問題，提供一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法。
本發(fā)明所述的一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法包括以下步驟：
步驟一、系統(tǒng)中有2個無線傳感器節(jié)點，分別充當(dāng)無線通信發(fā)送節(jié)點和無線通信接收節(jié)點，它們都具有cc2530無線射頻收發(fā)器，可以測量無線通信時的到達(dá)信號強(qiáng)度(receivedsignalstrengthindicator，rssi)，并結(jié)合無線信號衰減模型，對它們之間的通信距離進(jìn)行估計，如公式(1)所示：
其中，d為要估計的發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間的距離，rssi表示接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點間距離為d時，接收到來自發(fā)送節(jié)點的無線信號的信號強(qiáng)度，p(d0)表示接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點間距離為d0時，接收到來自發(fā)送節(jié)點無線信號時的信號強(qiáng)度，d0為發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間的參考距離，n為信道衰減指數(shù)，xr為高斯噪聲變量；
步驟二、由公式(1)可知，通信距離估計過程中不確定性因素包括rssi值、xr和n，則采用全微分的方法，在公式(1)中分別對它們求偏導(dǎo)，獲得各個不確定性因素的敏感因子：
敏感因子值越大，則表明對應(yīng)不確定性因素對距離估計結(jié)果的影響程度就大，因此，在實際距離估計時，采用相關(guān)措施來減小影響程度大的因素的不確定性，從而有效提高距離估計的準(zhǔn)確度；
步驟三、系統(tǒng)設(shè)定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間距離分別為{d1,d2,d3,…,di,…,di}，其中i為正整數(shù)，且1≤i≤i,i為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且10≤i≤50，設(shè)定i的初始值為1，本發(fā)明中i取值為20；
步驟四、判斷i的值是否大于i，若是，則執(zhí)行步驟七，否則執(zhí)行步驟五；
步驟五、發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間距離為di時，發(fā)送節(jié)點通過其無線射頻收發(fā)器向無線接收節(jié)點發(fā)送距離估計請求數(shù)據(jù)包，無線接收節(jié)點收到請求數(shù)據(jù)包后，獲得無線信號強(qiáng)度值rssiij，其中j為正整數(shù)，表示第j次無線信號強(qiáng)度值測量的序號，且1≤j≤j，j的值初始化為1，j為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且50≤j≤150，本專利中，j取值100，并執(zhí)行步驟六；
步驟六、發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點重復(fù)執(zhí)行步驟五j-1次，并且在每次重復(fù)測量時j的值自動累加增1，獲得對應(yīng)的無線信號強(qiáng)度值rssiij，重復(fù)j-1次測量后獲得j組rssi測量值{rssii1,rssii2,rssii3,…,rssiij,…,rssiij}，i＝i+1，并執(zhí)行步驟四；
步驟七、系統(tǒng)通過對測量結(jié)果整理，獲得距離序列{d1,d2,d3,…,di,…,di}，以及它們對應(yīng)rssi的測量值序列{{rssi11,rssi21,rssi31,…,rssii1,…,rssii1}，{rssi12,rssi22,rssi32,…,rssii2,…,rssii2},{rssi13,rssi23,rssi33,…,rssii3,…,rssii3},…,{rssi1j,rssi2j,rssi3j,…,rssiij,…,rssiij}，…,{rssi1j,rssi2j,rssi3j,…,rssiij,…,rssiij}}，其中i為正整數(shù)，且1≤i≤i，i為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且10≤i≤50，j為正整數(shù)，且1≤j≤j，j為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且50≤j≤150；
步驟八、系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的電源，采用測電磁波信號功率的功率計，重復(fù)測量自由空間的無線電波噪聲的功率m次，其中m為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且20≤m≤100，本專利中m取值50，獲得m組噪聲功率xr的測量值{xr1,xr2,xr3,…,xrk,…,xrm}，其中，k為正整數(shù)且1≤k≤m，并對其進(jìn)行統(tǒng)計計算，獲得噪聲xr的統(tǒng)計均值xr_u和統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差xr_σ，其中統(tǒng)計均值xr_u作為噪聲xr的最終測量值，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差xr_σ作為噪聲xr最終測量值的不確定性；
步驟九、系統(tǒng)設(shè)定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間參考距離d0為1米，發(fā)送節(jié)點通過其無線射頻收發(fā)器向無線接收節(jié)點發(fā)送距離估計請求數(shù)據(jù)包，無線接收節(jié)點收到請求數(shù)據(jù)包后，獲得參考的接收信號強(qiáng)度p(d0)，j的值置為1；
步驟十、判斷j的值是否大于j，若是，則執(zhí)行步驟十二，否則執(zhí)行步驟十一；
步驟十一、根據(jù)步驟七中的距離序列{d1,d2,d3,…,di,…,di}和rssi測量值序列{rssi1j,rssi2j,rssi3j,…,rssiij,…,rssiij}，步驟八中的xr_u，以及步驟九中的d0、p(d0)，對數(shù)衰減模型公式(1)，進(jìn)行衰減模型擬和，得到信道衰減指數(shù)nj，其中i為正整數(shù)，且1≤i≤i,i為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且10≤i≤50，j為正整數(shù)，且1≤j≤j,j為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且50≤j≤150，j＝j(luò)+1，執(zhí)行步驟十；
步驟十二、得到無線信號衰減模型中信道衰減指數(shù)序列{n1,n2,n3,…,nj,…,nj}，并對信道衰減指數(shù)序列進(jìn)行統(tǒng)計計算，獲得信道衰減參數(shù)的統(tǒng)計均值n_u和統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差n_σ，其中統(tǒng)計均值n_u作為信道衰減參數(shù)的最終測量值，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差n_σ作為信道衰減參數(shù)測量值的不確定性；
步驟十三、實際距離估計階段，判斷距離估計任務(wù)是否完成，如果是，執(zhí)行步驟十五，否則，在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點通信范圍內(nèi)，設(shè)定這兩個節(jié)點的位置后，執(zhí)行步驟十四；
步驟十四、在發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點通信范圍內(nèi)的任意通信距離d時，測量兩者通信時的信號強(qiáng)度j次，得到rssi值{rssi1,rssi2,rssi3,…,rssij,…,rssij}；對其進(jìn)行統(tǒng)計計算，得到其統(tǒng)計均值rssi_u和統(tǒng)計方差rssi_σ，則通信距離d的估計結(jié)果d_u如公式(5)所示，通信距離d估計結(jié)果d_u的標(biāo)準(zhǔn)差d_σ如公式(6)所示，其中距離估計結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差表示距離估計精度的高低，為后續(xù)定位計算等處理方法提供重要的先驗知識，
步驟十五、結(jié)束距離估計及其不確定性分析任務(wù)。
附圖說明
圖1為一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法的流程圖。
具體實施方式
具體實施方式一：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法包括以下步驟：
步驟一、系統(tǒng)中有2個無線傳感器節(jié)點，分別充當(dāng)無線通信發(fā)送節(jié)點和無線通信接收節(jié)點，它們都具有cc2530無線射頻收發(fā)器，可以測量無線通信時的到達(dá)信號強(qiáng)度(receivedsignalstrengthindicator，rssi)，并結(jié)合無線信號衰減模型，對它們之間的通信距離進(jìn)行估計，如公式(1)所示：
其中，d為要估計的發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間的距離，rssi表示接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點間距離為d時，接收到來自發(fā)送節(jié)點的無線信號的信號強(qiáng)度，p(d0)表示接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點間距離為d0時，接收到來自發(fā)送節(jié)點無線信號時的信號強(qiáng)度，d0為發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間的參考距離，n為信道衰減指數(shù)，xr為高斯噪聲變量；
步驟二、由公式(1)可知，通信距離估計過程中不確定性因素包括rssi值、xr和n，則采用全微分的方法，在公式(1)中分別對它們求偏導(dǎo)，獲得各個不確定性因素的敏感因子：
敏感因子值越大，則表明對應(yīng)不確定性因素對距離估計結(jié)果的影響程度就大，因此，在實際距離估計時，采用相關(guān)措施來減小影響程度大的因素的不確定性，從而有效提高距離估計的準(zhǔn)確度；
步驟三、系統(tǒng)設(shè)定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間距離分別為{d1,d2,d3,…,di,…,di}，其中i為正整數(shù)，且1≤i≤i,i為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且10≤i≤50，設(shè)定i的初始值為1，本發(fā)明中i取值為20；
步驟四、判斷i的值是否大于i，若是，則執(zhí)行步驟七，否則執(zhí)行步驟五；
步驟五、發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間距離為di時，發(fā)送節(jié)點通過其無線射頻收發(fā)器向無線接收節(jié)點發(fā)送距離估計請求數(shù)據(jù)包，無線接收節(jié)點收到請求數(shù)據(jù)包后，獲得無線信號強(qiáng)度值rssiij，其中j為正整數(shù)，表示第j次無線信號強(qiáng)度值測量的序號，且1≤j≤j，j的值初始化為1，j為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且50≤j≤150，本專利中，j取值100，并執(zhí)行步驟六；
步驟六、發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點重復(fù)執(zhí)行步驟五j-1次，并且在每次重復(fù)測量時j的值自動累加增1，獲得對應(yīng)的無線信號強(qiáng)度值rssiij，重復(fù)j-1次測量后獲得j組rssi測量值{rssii1,rssii2,rssii3,…,rssiij,…,rssiij}，i＝i+1，并執(zhí)行步驟四；
步驟七、系統(tǒng)通過對測量結(jié)果整理，獲得距離序列{d1,d2,d3,…,di,…,di}，以及它們對應(yīng)rssi的測量值序列{{rssi11,rssi21,rssi31,…,rssii1,…,rssii1}，{rssi12,rssi22,rssi32,…,rssii2,…,rssii2},{rssi13,rssi23,rssi33,…,rssii3,…,rssii3},…,{rssi1j,rssi2j,rssi3j,…,rssiij,…,rssiij}，…,{rssi1j,rssi2j,rssi3j,…,rssiij,…,rssiij}}，其中i為正整數(shù)，且1≤i≤i，i為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且10≤i≤50，j為正整數(shù)，且1≤j≤j，j為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且50≤j≤150；
步驟八、系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的電源，采用測電磁波信號功率的功率計，重復(fù)測量自由空間的無線電波噪聲的功率m次，其中m為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且20≤m≤100，本專利中m取值50，獲得m組噪聲功率xr的測量值
步驟九、系統(tǒng)設(shè)定發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點間參考距離d0為1米，發(fā)送節(jié)點通過其無線射頻收發(fā)器向無線接收節(jié)點發(fā)送距離估計請求數(shù)據(jù)包，無線接收節(jié)點收到請求數(shù)據(jù)包后，獲得參考的接收信號強(qiáng)度p(d0)，j的值置為1；
步驟十、判斷j的值是否大于j，若是，則執(zhí)行步驟十二，否則執(zhí)行步驟十一；
步驟十一、根據(jù)步驟七中的距離序列{d1,d2,d3,…,di,…,di}和rssi測量值序列{rssi1j,rssi2j,rssi3j,…,rssiij,…,rssiij}，步驟八中的xr_u，以及步驟九中的d0、p(d0)，對數(shù)衰減模型公式(1)，進(jìn)行衰減模型擬和，得到信道衰減指數(shù)nj，其中i為正整數(shù)，且1≤i≤i,i為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且10≤i≤50，j為正整數(shù)，且1≤j≤j,j為用戶設(shè)定的正整數(shù)，且50≤j≤150，j＝j(luò)+1，執(zhí)行步驟十；
步驟十二、得到無線信號衰減模型中信道衰減指數(shù)序列{n1,n2,n3,…,nj,…,nj}，并對信道衰減指數(shù)序列進(jìn)行統(tǒng)計計算，獲得信道衰減參數(shù)的統(tǒng)計均值n_u和統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差n_σ，其中統(tǒng)計均值n_u作為信道衰減參數(shù)的最終測量值，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差n_σ作為信道衰減參數(shù)測量值的不確定性；
步驟十三、實際距離估計階段，判斷距離估計任務(wù)是否完成，如果是，執(zhí)行步驟十五，否則，在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點通信范圍內(nèi)，設(shè)定這兩個節(jié)點的位置后，執(zhí)行步驟十四；
步驟十四、在發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點通信范圍內(nèi)的任意通信距離d時，測量兩者通信時的信號強(qiáng)度j次，得到rssi值{rssi1,rssi2,rssi3,…,rssij,…,rssij}；對其進(jìn)行統(tǒng)計計算，得到其統(tǒng)計均值rssi_u和統(tǒng)計方差rssi_σ，則通信距離d的估計結(jié)果d_u如公式(5)所示，通信距離d估計結(jié)果d_u的標(biāo)準(zhǔn)差d_σ如公式(6)所示，其中距離估計結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差表示距離估計精度的高低，為后續(xù)定位計算等處理方法提供重要的先驗知識，
步驟十五、結(jié)束距離估計及其不確定性分析任務(wù)。
具體實施方案二，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，采用全微分的方法，獲得通信距離估計過程中影響程度最大的不確定性因素，為改善通信距離估計精度提供支持。
具體實施方案三，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，采用方和根的方法獲得通信距離估計的不確定性，為后續(xù)應(yīng)用提供處理方法，例如定位計算和定位結(jié)果的不確定性評估提供先驗知識；
具體實施方案四，本實施方式是對具體實施方式一所述的一種基于rssi通信距離估計的不確定性分析方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，解決了基于rssi表達(dá)模型的通信距離估計過程中的不確定性敏感分析、不確定性傳播和不確定性的合成問題。該方法適用于無線環(huán)境中距離估計和定位技術(shù)領(lǐng)域，同時還可以擴(kuò)展到水下的定位技術(shù)應(yīng)用中。