基于马尔科夫随机场的室内无线定位算法研究

摘要

近年来,基于ZigBee技术的无线传感网发展迅速,相比于其他无线通信技术,它具有可靠性高、低成本、低功耗、低时延、组网灵活等优点。室内无线定位是基于ZigBee技术的无线传感网的一项重要应用,它弥补了GPS在室内无法进行定位的缺陷,在机场大厅、超市、地下停车场、展厅、矿井等环境中具有重要的应用价值。目前常用的定位方法主要包括:到达时间(Time of Arrival,TOA)、到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)、到达角度(Angle of Arrival,AOA)、以及接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)。由于TOA、TDOA、AOA方法对硬件有较高的要求,因此使用低成本的RSSI实现定位,是室内无线定位研究的一项重要内容,但是RSSI容易受到衰减、干扰等因素的影响,目前还不能实现精确的定位。
　　现有的基于RSSI的定位算法一般采用概率的方法,它们对参考节点采集到的RSSI值都等同处理,没有识别异常RSSI值的能力,而由于某些RSSI值和正常值偏离较大,最终导致定位精度较低。因此,提出一种基于层次式的马尔科夫随机场模型的定位算法,将定位区间划分为多个大小相等的小区间,采用邻接参考节点的依赖关系作为滤波手段,通过先验概率的假设来去除异常RSSI值,在所形成的随机场中,对后验概率作最大化处理,使用置信传播算法得出待定位节点的估计区间,再将这个区间划分为多个大小相等的更小区间,这样层次式的计算下去,最终小区间的几何中心就是待定位节点的估计位置。
　　通过仿真数据和实测数据对所提出的算法进行了验证,其中仿真数据由Matlab生成,实测数据由采用ZigBee技术的无线传感网中的参考节点采集。与以往采用概率的算法进行比较发现,所提出的算法在精确度和稳定性上具有较好的性能,同时通过图表说明了不同参数产生的仿真数据对定位结果的影响,并分析了其中原因。

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目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

2 关键技术分析

2.1 ZigBee技术

2.2 蒙特卡罗方法

2.3 马尔科夫随机场

2.4 本章小结

3 算法设计与实现

3.1 假设与定义

3.2 定位模型

3.3 定位算法

3.4 本章小结

4 实验设计与结果分析

4.1 仿真数据生成

4.2 实测数据采集

4.3 实验结果

4.4 与其他算法比较

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献