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💥1 概述

基于MOGWO的无线传感器网络（RSSI）定位算法研究

摘要

无线传感器网络（WSNs）在军事打击、医疗建设、智能交通管理和智能家居等领域具有广泛应用，节点定位技术是WSNs的核心技术之一。基于RSSI的定位算法因其成本低、灵活性好而备受关注，但存在测距误差大、定位精度低等问题。本文提出了一种基于多目标灰狼优化算法（MOGWO）的无线传感器网络RSSI定位算法，通过优化空间距离和几何拓扑两个目标函数，提高定位精度。实验结果表明，该算法在不同环境下均表现出较高的定位精度和稳定性。

一、引言

无线传感器网络由大量分布于特定区域的无线传感器节点组成，这些节点通过无线通信协作完成监测任务。节点定位技术作为WSNs的核心功能，承担着确定节点物理位置的重要任务，对整个网络系统的性能有着直接的影响。基于RSSI的定位算法因其成本低、无需额外硬件支持等优点，在WSNs中得到了广泛应用。然而，由于噪声、障碍物等因素的影响，RSSI测距往往存在较大的误差，导致定位精度较低。因此，研究如何提高基于RSSI的WSNs定位算法的精度具有重要意义。

二、相关工作

2.1 RSSI定位算法原理

RSSI定位算法基于无线信号强度的测量技术，通过测量信号强度并将其转换为距离估算值，进而实现未知节点的位置估计。信号在传输过程中会受到路径损耗、阴影效应以及多径效应等因素的影响，导致信号强度衰减。RSSI算法通常结合信号传播模型（如对数距离路径损耗模型）来计算距离，该模型描述了信号强度与距离之间的关系。

2.2 传统RSSI定位算法的挑战

尽管RSSI算法在WSNs定位中具有广泛应用，但也存在不少挑战。非视距传播、信号衰落和硬件差异等因素会导致距离估算不准确，进而影响定位精度。此外，传统RSSI定位算法通常只考虑空间距离约束，而忽略了几何拓扑约束，可能导致不符合实际情况的拓扑结构形成。

2.3 多目标优化算法在定位中的应用

为了克服传统RSSI定位算法的局限性，研究者们提出了多种优化算法。其中，多目标优化算法因其能够同时优化多个目标函数而备受关注。MOGWO作为一种新兴的多目标优化算法，通过模拟灰狼群体的狩猎行为，实现了对多个目标函数的优化。在WSNs定位中，MOGWO可以同时优化空间距离和几何拓扑两个目标函数，提高定位精度。

三、基于MOGWO的RSSI定位算法

3.1 算法原理

基于MOGWO的RSSI定位算法的核心思想是通过优化空间距离和几何拓扑两个目标函数，提高定位精度。具体而言，该算法将未知节点的估计坐标作为灰狼个体的位置，通过MOGWO算法不断优化这些位置，使得空间距离和几何拓扑两个目标函数同时达到最小。

3.2 目标函数设计

• 空间距离目标函数（f1）：该函数用于衡量未知节点估计坐标与真实坐标之间的空间距离误差。具体表达式为：
  

编辑

• 几何拓扑目标函数（f2）：该函数用于衡量未知节点估计坐标与锚节点形成的几何拓扑结构的合理性。具体而言，可以通过计算未知节点与锚节点形成的三角形的面积、周长等几何特征来评估拓扑结构的合理性。本文采用三角形面积作为几何拓扑目标函数的评估指标，表达式为：
  

编辑

3.3 算法流程

1. 初始化参数：设置MOGWO算法的种群大小、最大迭代次数等参数。
2. 生成初始种群：在定位区域内随机生成一定数量的灰狼个体，每个个体代表一个未知节点的估计坐标。
3. 计算目标函数值：对于每个灰狼个体，计算其空间距离目标函数值和几何拓扑目标函数值。
4. 更新灰狼位置：根据MOGWO算法的更新规则，更新灰狼个体的位置，使得两个目标函数值同时减小。
5. 判断终止条件：如果达到最大迭代次数或目标函数值满足预设精度要求，则终止算法；否则，返回步骤3继续迭代。
6. 输出结果：输出最优的灰狼个体位置作为未知节点的估计坐标。

四、实验与分析

4.1 实验环境

实验在100m×100m的区域内进行，涉及10个锚节点和90个未知节点。通信半径设为25m，均方差满足δ=0.01×r。MOGWO算法的种群大小为50，最大迭代次数为5000。

4.2 实验结果

实验结果表明，基于MOGWO的RSSI定位算法在不同环境下均表现出较高的定位精度和稳定性。与传统的RSSI定位算法相比，该算法通过优化空间距离和几何拓扑两个目标函数，有效减小了测距误差对定位精度的影响。具体而言，在锚节点数量为10、通信半径为25m的条件下，该算法的平均定位误差可控制在1.5m以内，显著优于传统算法。

4.3 参数分析

• 锚节点数量：随着锚节点数量的增加，定位误差呈下降趋势。这是因为更多的锚节点提供了更多的距离信息，有助于提高定位精度。
• 通信半径：通信半径的增大也会导致定位误差的增加。这是因为较大的通信半径意味着更远的传输距离和更强的信号衰减，从而增加了测距误差。
• MOGWO参数：种群大小和最大迭代次数等参数对算法性能也有一定影响。较大的种群大小和更多的迭代次数有助于提高算法的搜索能力和收敛速度，但也会增加计算复杂度。

五、结论与展望

本文提出了一种基于MOGWO的无线传感器网络RSSI定位算法，通过优化空间距离和几何拓扑两个目标函数，提高了定位精度。实验结果表明，该算法在不同环境下均表现出较高的定位精度和稳定性。未来工作可以进一步改进算法，如引入动态校准机制以适应环境变化和节点移动，或者结合其他传感器数据进行融合定位以提高精度。此外，还可以探索将MOGWO算法应用于其他无线定位场景中，如室内定位、无人机定位等。

📚2 运行结果

在100mX100m的区域内随机产生100个节点，10个锚节点从中随机选取产生，其余90个节点为

未知节点。

通信半径取25m，均方差满足delta=0.01*r。MOGWO种群大小为50，最大迭代次数为5000。

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function MultiObj = GetProblemInfo(TestProblem) %1个多目标工程应用
%ISSA定位 参考文献：王鑫雨. 无线传感器网络粒子群优化定位算法[D].江南大学,2014.
 switch TestProblem      
     case 1
    global targetNum lb ub
   numOfObj=2;  %number of objective
   nVar=2*targetNum;%dimension of problem
   VarMin=lb*ones(1,nVar);
   VarMax=ub*ones(1,nVar);
function f=F1(X)
%最小化空间距离约束f1 和 最小化几何拓扑约束f2 
global Position TotalNum anchorNum D R d
X=reshape(X,size(X,2)/2,2);%估计的位置
for i=anchorNum+1:TotalNum
    IDX=find(~D(i,:));
    f1=f1+sum((Tempr(i,IDX)-d(i,IDX)).^2);  %空间距离约束
end
f2=0;
TempD=Tempr;
TempD(Tempr<=R)=0;%D用于纪录哪些是在通信范围之内的节点 在通信半径之内为0，否则为1
TempD(Tempr>R)=1;
for i=anchorNum+1:TotalNum
    IDX=find(~D(i,:));%求解在通信半径之内的
    f2=f2+sum(TempD(i,IDX)); %几何拓扑约束
    IDX=find(D(i,:));%求解不在通信半径之内的
    f2=f2+sum(1-TempD(i,IDX));%几何拓扑约束
end
f(1)=f1;%空间距离约束
f(2)=f2;%几何拓扑约束
end

🎉3 参考文献

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