[发明专利]一种基于接收信号强度的测距方法

说明书

技术领域

本发明属于无线电测距技术领域，特别是一种用于地面布设的大规模无线传感器网络中节点测距定位的基于接收信号强度的无线电测距方法。

背景技术

位置信息已经成为现代社会的关键基础信息，在国民经济、国防科技和日常生活中发挥着重要的作用。定位技术通常分为两大类：基于测距的定位和非测距的定位。非测距的定位依靠节点间的连接信息来推测节点位置信息，定位精度不高。基于测距的定位一般基于某种距离量的测量来确定位置信息，通常定位精度较高，因此更适用提供高精度的位置服务。

在各种支持高精度定位的测距方法中，GPS等基于到达时间测距（TOA）对时钟同步精度有很高要求；到达角度测距（AOA）则需要多个天线阵元。因此，这些测量方法会显著增加通信节点的尺寸、功耗或制造成本。接收信号强度（RSS）在正常通信过程中可直接由射频芯片中的RSSI寄存器中读出，用RSS进行测距不会增加能耗，也无需改动硬件，是一种简单的、低成本的测距方法。因此，基于RSS的测距和定位方法特别适合于大规模无线传感网络中节点的测距定位。

基于RSS的测距系统包含三种节点，其中，发射节点是测量信号的发射方，位置是已知的，通常也被称作锚节点；参考节点是到锚节点距离已知的一个节点，是测量信号的接收方之一；盲节点是到发射节点距离未知的待测距节点，是测量信号的主要接收方。传统的RSS测距方法（以下简称方法一）基于无线电信号的传播模型，可用公式表示如下：

Pr[dBm]=P0[dBm]-10nplog(dd0)---(1)]]>

其中，d为盲节点到发射节点的距离，d₀为参考节点到发射节点的距离；P_r为盲节点的RSS，P₀为参考节点的RSS；n_p为路径衰减指数，通常与节点布设区域的具体多径环境相关。

方法一分为两步：首先，在布设环境中选取若干到发射节点距离不同的节点进行RSS测量得到若干距离（通过激光测距仪，GPS等手段测得这些距离值）和RSS组合值的样本，通过公式（1）进行参数拟合，得到n_p，这一步通常称为训练(或学习)；训练完成后，再由盲节点进行RSS测量，通过公式（1）完成距离解算。

方法一存在两方面问题。一方面，训练需要花费大量时间、人力和功耗去获取距离和RSS组合值的样本；另一方面，用于训练的各节点间的多径参数其实并不相同，这种训练方法得到的路径衰减指数是对“整体多径环境”的描述，因此难免与某些节点的情况差异太大，导致出现测距异常值（outlier）。

不同于传统方法只选定一个固定载频发射窄带测量信号，一种新的RSS测距方法[Zhang,D.,et al.:‘On distinguishing the multiple radio paths in RSS-based ranging’.Proc.IEEE INFOCOM,2012,pp.2201-2209]（以下简称方法二）基于频率分集的思想，依次在若干不同载频上发射窄带信号，利用不同载频测得的RSS值解算待测距离。方法二免去了方法一中拟合参数n_p的训练过程，但其距离解算方法是数值方法，因此需要设置初始值并进行迭代求解，故存在局部最优和高计算复杂度等数值方法普遍存在的问题。

方法一存在训练带来的额外开销和测距异常值的问题，方法二存在数值算法所固有的局部最优和高计算复杂度等问题，这些问题使得现有RSS测距方法难以应用于大规模无线传感网络中节点的定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于接收信号强度的测距方法，在测量低功耗小型设备距离时，快速而且准确。