一种海上无线传感器网络信号传播的海浪遮蔽模型

技术领域

本发明涉及一种海浪遮蔽模型，具体是指一种海上无线传感器网络信号传播的海 浪遮蔽模型。

背景技术

无线传感器网络节点之间的射频信号(RadioFrequency，RF)被用来探测处于节 点链路之间的物标，也可以被用来计算节点之间的距离。射频信号传播的自由空间是指信 号传播所经过的无限大空间，在电波的实际传播过程中，如果在第一菲涅尔半径范围内其 通信条件能够满足在自由空间中的传播条件，那么则可以认为电波是在自由空间中传播， 自由空间模型是一种较理想的信号损耗模型。

在海上等室外空旷环境的通信条件下，发射节点和接收节点构成了通信链路，通 常可以认为只有一条传输路径。当这条传输路径上不存在任何障碍物的遮挡时，链路衰减 就能够符合自由空间的路径损耗模型。在无线传感器网络节点定位技术中，根据节点是否 已知自身的位置，把传感器节点分为锚节点(也称信标节点)和未知节点。无线传感器网络 中通常使用经验信号传播模型将传播损耗转化为距离，因此RSSI(ReceivedSignal StrengthIndication，接收的信号强度指示)测距法通常使用下面的传播路径损耗遮蔽模 型：

$PL\left(d\right)=PL\left(d_0\right)+10n\lg \left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\sigma };$

式中，d₀＝1m是参考距离，PL(d₀)是经过d₀距离后的损耗；d是实际距离；PL(d)是锚 节点到未知节点的损耗；X_σ为遮蔽因子误差，n为路径损耗指数。

在遮蔽模型的使用过程中，通常需要进行大量的统计。节点在海上环境中受海浪 影响的波动很大，海况越恶劣则波动越大。考虑到在信号传播过程中，海浪遮蔽为主要遮蔽 影响因素，因此海上信号传播模型可表示为：

$PL\left(d\right)=PL\left(d_0\right)+10n_s\lg \left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\sigma };$

式中，d₀＝1m是参考距离，PL(d₀)是经过d₀距离后的损耗；d是实际距离；PL(d)是锚 节点到未知节点的损耗；X_σ为经过测量的遮蔽因子误差，其均值为0且服从高斯分布；n_s为s 风级下的路径损耗指数。

在海上无线传感器网络系统中，节点的高度h在海浪的影响下发生变化，根据菲涅 尔理论及信号传播特性分析，节点在海浪波峰的时候将获得良好的传播条件，其接收到的 信号强度优于平静海面。也就是说，节点距海面的高度h→+|h_max|时，遮蔽因子误差X_σ→-| X_σmax|，即：

$PL{\left(d\right)}_{h\to +\left|h_{max}\right|}=PL\left(d_0\right)+10n_s\lg \left(\frac{d}{d_0}\right)-\left|X_{\sigma max}\right|.$

接收的信号强度指示RSSI值的测量是定位算法执行的数据基础，如海上无线传感 器网络测距定位的过程中，如图1所示，接收的信号强度指示RSSI值是一系列的离散值，用 集合P表示：P＝{RSSI₁,RSSI₂,RSSI₃,RSSI₄,...,RSSI_n}，而X_σ即为RSSI_n与均值RSSI_a的误差， 是均值为零且服从正态分布的；其中，RSSI_a具体为：

${\mathrm{RSSI}}_a=\frac{{\mathrm{RSSI}}_1+{\mathrm{RSSI}}_2+{\mathrm{RSSI}}_3+{\mathrm{RSSI}}_4+...+{\mathrm{RSSI}}_n}{n};$

通过求取的均值RSSI_a可消除遮蔽因子误差X_σ，随后代入上述提到的公式 $PL\left(d\right)=PL\left(d_0\right)+10n_s\lg \left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\sigma }$后可得：

${\mathrm{RSSI}}_a\left(d\right)=RSSI\left(d_0\right)+10n_s\lg \left(\frac{d}{d_0}\right);$

其中，RSSI_a是多次获得的RSSI值求得的平均值，在多次统计的求取平均值的情况 下，遮蔽因子误差X_σ便可以消除。此处，RSSI(d)和PL(d)在不同的文献里有不同的表达方 式，其代表的意义是相同的，RSSI是实际的测量中的表达方式，而PL则是数学模型上的表达 方式。

在海上无线传感器网络系统中，由于网络不稳定，导致传输速率较慢，信道也比较 拥挤。节点在获取大量的RSSI值时将花费较大的时间代价，即会严重影响到网络的性能，包 括网络的节点定位、路由及拓扑控制等方面。因此，如何通过得到的瞬时RSSI值解算出除去 遮蔽因子误差X_σ的RSSI值便显得非常重要。我们通过模拟海上的环境发现，信号的传播条 件跟节点的高度有着密切的关系，而遮蔽因子误差X_σ与节点高度h也有密切的关系。基于上 述，对遮蔽因子误差X_σ随节点高度h变化的关系进行研究，即在不需要大量数据统计的基础 之上，根据节点的高度h确定遮蔽因子误差X_σ的大小，能够提高海上无线传感网系统的定位 效率，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上无线传感器网络信号传播的海浪遮蔽模型，可根据 节点高度确定遮蔽因子误差的大小，从而有效提高海上无线传感器网络中信号传播测量的 准确度以及提高定位效率。

为实现上述目的，本发明提供一种海上无线传感器网络信号传播的海浪遮蔽模 型，用于计算当节点高度发生变化后，信号传播强度受海浪遮蔽影响的相应变化，其根据节 点高度h确定遮蔽因子X_σ误差的大小，包含以下步骤：

S1、确定遮蔽因子误差X_σ与节点高度h之间的关系；

S2、通过链路空间遮挡区域的权重系列函数加权，计算遮蔽因子误差X_σ与节点高 度h之间的关系系数λ；

S3、根据遮蔽因子误差X_σ与节点高度h之间的关系系数λ，得到椭球体积加权的海 浪遮蔽模型。

所述的S1中，具体为：当节点在处于海浪的波峰和波谷之间运动时，遮蔽因子误差 X_σ与节点高度h之间的关系使用系数λ表示，则有：

X_σ＝-λ|X_σmax|。

所述的S2中，使用平均海面和节点此刻高度下平行于平均海面的平面，分别截该 椭球体所截得的体积，与节点处于离海面最高点时，过最高点与平均海面平行的平面和平 均海面分别截该椭球体所截得的体积之比，作为该高度下的信号遮挡权重。

所述的S2中，具体为：通过链路空间遮挡区域的权重系列函数加权，计算传感器网 络区域中的空间遮挡区域遮蔽因子，λ的计算可表达为：

$\lambda =\frac{{\int }_0^{h}g\left(s\right)ds}{{\int }_0^{h_{\max }}g\left(s\right)ds};$

式中，g(s)为节点高度为h时，平均海平面与椭球体所截得的横截面面积。

所述的S3中，椭球体积加权的海浪遮蔽模型为：

${\mathrm{RSSI}}_n\left(d\right)+\frac{{\int }_0^{h}g\left(s\right)ds}{{\int }_0^{h_{\max }}g\left(s\right)ds}\left|X_{\sigma \max }\right|=RSSI\left(d_0\right)+10n_s\lg \left(\frac{d}{d_0}\right);$

式中，d₀是参考距离，d是实际距离；n_s为s风级下的路径损耗指数。

综上所述，本发明所提供的海上无线传感器网络信号传播的海浪遮蔽模型，能够 对遮蔽因子误差随节点高度变化的关系进行数学表示，即在不需要大量数据统计的基础之 上，可根据节点高度确定遮蔽因子误差的大小，从而有效提高海上无线传感器网络中信号 传播测量的准确度以及提高定位效率。

附图说明

图1为现有技术中的接收的信号强度指示值的离散分布示意图；

图2为本发明中的海浪遮蔽模型的结构示意图；

图3为本发明中的海浪遮蔽模型的仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合图2～图3，详细说明本发明的一个优选实施例。

海浪遮蔽模型是指在无线传感器网络系统中，当节点高度发生变化后，信号传播 强度受海浪遮蔽影响而相应变化的模型。

首先使用最为简单的线性模型对节点高度变化后，信号传播受海浪遮蔽影响的变 化进行插值。通过插值发现，对遮蔽因子误差X_σ根据节点高度h进行反推，对信号的变化进 行一定程度上相应的描述。但是在接近海面位置变化时，信号强度的变化与线性插值的推 测值变化存在一定的误差。通过分析信号传播的椭球体模型，我们认为信号的变化在离水 面近的位置随高度变化较快，离海面较高的位置其变化随高度的变化较慢。如图2所示，在 以m和n这两个节点为焦点的椭球体中，平均海面和节点此刻高度下平行于平均海面的平 面，分别截该椭球体所截得的体积，与节点处于离海面最高点时，过最高点与平均海面平行 的平面和平均海面分别截该椭球体所截得的体积之比作为插值的权重，能够更好的描述信 号强度的变化随节点高度的变化。

在实际应用当中，障碍物的位置从位于节点连线的中心线处到第一菲涅尔边缘移 动的过程中，对信号产生的遮蔽影响的变化并不是一个线性的变化关系。信号在空间中的 传播可看作一个椭球体，短半轴为节点之间的第一菲涅尔半径，处于椭球体之间的信号遮 挡权值应当更大。我们使用，平均海面和节点此刻高度下平行于平均海面的平面，分别截该 椭球体所截得的体积，与节点处于离海面最高点时，过最高点与平均海面平行的平面和平 均海面分别截该椭球体所截得的体积之比，以作为该高度下的信号遮挡权重，使其更加贴 近实际。

如图2所示，为本发明提供的海上无线传感器网络信号传播的海浪遮蔽模型，假设 当节点在处于海浪的波峰和波谷之间运动时，遮蔽因子误差X_σ与节点高度h之间的关系使 用系数λ表示，则有：

X_σ＝-λ|X_σmax|；

通过链路空间遮挡区域的权重系列函数加权，从而来计算传感器网络区域中的空 间遮挡区域遮蔽因子，λ的计算可表达为：

$\lambda =\frac{{\int }_0^{h}g\left(s\right)ds}{{\int }_0^{h_{\max }}g\left(s\right)ds};$

根据现有技术中的海上信号传播模型则椭球 体积加权的海浪遮蔽模型为：

${\mathrm{RSSI}}_n\left(d\right)+\frac{{\int }_0^{h}g\left(s\right)ds}{{\int }_0^{h_{\max }}g\left(s\right)ds}\left|X_{\sigma \max }\right|=RSSI\left(d_0\right)+10n_s\lg \left(\frac{d}{d_0}\right);$

式中，g(s)为节点高度为h时，平均海平面与椭球体所截得的横截面面积；d₀＝1m 是参考距离，d是实际距离；n_s为s风级下的路径损耗指数。

如图3所示，为本发明中的海浪遮蔽模型的仿真曲线图，从中能够明显看出，当节 点高度分别为0.8m，0.6m，0.4m和0.2m时，信号强度通过本发明的椭球体积加权后的计算值 与实际测量值之间的误差，要明显小于通过传统遮蔽模型计算后与实际测量值之间的误 差。

综上所述，本发明所提供的海上无线传感器网络信号传播的海浪遮蔽模型，能够 对遮蔽因子误差X_σ随节点高度h变化的关系进行数学表示，即在不需要大量数据统计的基 础之上，可根据节点高度h确定遮蔽因子误差X_σ的大小，从而有效提高海上无线传感器网络 中信号传播测量的准确度以及提高定位效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。