基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位框架最優(yōu)通信的能耗精度均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及室內(nèi)定位的能耗精度均衡實(shí)現(xiàn)方法，具體地，設(shè)及一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 室內(nèi)定位框架最優(yōu)通信的能耗精度均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 室內(nèi)定位技術(shù)因其較高的潛力正在高速發(fā)展，目前，多種定位系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)了室 內(nèi)定位服務(wù)全球市場的很大比例。相比基于GPS、格洛納斯、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)些室外定 位系統(tǒng)，典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)主要利用無線傳感網(wǎng)（WSN)、射頻識別設(shè)備（RFID)、紅外、藍(lán) 牙、慣性測量元件（IMU)、超寬帶OJWB)或者無線局域網(wǎng)來獲取位置。
[0003] 在所有種類的室內(nèi)定位技術(shù)中，基于WLAN的室內(nèi)定位系統(tǒng)，尤其是基于WIFI的定 位系統(tǒng)，由于其普遍性和方便性，正在引起越來越多的關(guān)注。但是，高能耗的問題仍然是基 于WLAN室內(nèi)定位的巨大瓶頸。
[0004] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，K.LNielsBrouwers與MarcoZuniga于2014 年在PerCom(PervasiveComputingandCommunications)發(fā)表了"IncrementalWi-Fi scanningforenergy-efficientlocalization"(2014 年在IE邸的普適計(jì)算與通信的會 議，《高效節(jié)能定位的增量Wi-Fi掃描》）的文章中提出一種新的增量方法，通過掃描幾個(gè)選 定通道來減少基于WIFI的室內(nèi)定位系統(tǒng)的能耗，不過，實(shí)現(xiàn)運(yùn)個(gè)目標(biāo)需要在基本的操作系 統(tǒng)上做一些改變。D.A.YaoD，化C和C.Koehler于 2014年在化1:腳6GenerationComputer Systems,vol. 39 發(fā)表了"Energyefficientindoortrackingonsmartphones"（2014 年在未來一代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第39卷，《智能手機(jī)的節(jié)能室內(nèi)跟蹤》）的文章，調(diào)查了服務(wù)器 和智能手機(jī)之間相互作用的多重機(jī)制，W此挖掘基于WIFI的室內(nèi)定位系統(tǒng)的最佳機(jī)制。 M.T.A.R.PailaTarrio,MatteoCesana和L.Borsani于 2011 年在PerCom(Pervasive ComputingandCommunications)發(fā)表了"Anenergyefficientstrategyforcombined rss-p化indoorlocalization" (2014年在IE邸的普適計(jì)算與通信的會議，《一種結(jié) 合rss-p化的室內(nèi)定位節(jié)能策略》）的文章，通過融合RSSI和PDR來減少智能設(shè)備的能 耗，但是它的效果僅僅在行人姿態(tài)變化頻繁的場景下才會比較顯著。A.Neish油oori和 K.Harras于 2013 年在ISProceedingsofthe16thACMinternationalconferenceon Modeling,analysisandsimulationofwirelessandmobilesystems發(fā)表了"Energy savingstrategiesinwi-fiindoorlocalization" (2013 年ACM組織在無線與移動(dòng)通 信系統(tǒng)的建模、分析與仿真的會議，《Wi-Fi室內(nèi)定位的節(jié)能策略》）的文章，提出一種定位 系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)是通過融合RSSI和藍(lán)牙來實(shí)現(xiàn)定位，因此它的定位誤差不能被保證。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽0化]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位框架最 優(yōu)通信的能耗精度均衡方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位框架最優(yōu)通信的能耗精度均衡方法，包 括如下步驟：
[0007] 步驟1 :構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并對室內(nèi)的智能設(shè)備進(jìn)行分類和定位，其中，室內(nèi)的智能 設(shè)備分為充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備和充當(dāng)非簇頭節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備；
[0008] 步驟2 :根據(jù)充當(dāng)非簇頭節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備的位置變化確定位置狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩 陣；
[0009] 步驟3 :根據(jù)位置狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，建立相應(yīng)的約束馬爾可夫決策過程，得到異 構(gòu)網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)的最優(yōu)通信策略。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1包括：
[0011] 步驟A:在室內(nèi)融合無線局域網(wǎng)WLAN和無線個(gè)人局域網(wǎng)WPAN，利用服務(wù)器基于 WLAN的指紋匹配算法獲得室內(nèi)每個(gè)智能設(shè)備的位置信息，并根據(jù)室內(nèi)智能設(shè)備的位置信息 對所述智能設(shè)備進(jìn)行聚類處理，并在聚類處理后得到的每個(gè)類中選取=個(gè)智能設(shè)備充當(dāng)簇 頭；
[0012] 步驟B:通過指紋匹配算法為所有充當(dāng)簇頭的智能設(shè)備進(jìn)行位置信息解算，并根 據(jù)=邊定位解算算法為所有充當(dāng)非簇頭的智能設(shè)備進(jìn)行位置信息解算。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟1還包括：
[0014] 步驟i:在非閑置時(shí)段內(nèi)，充當(dāng)非簇頭節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備通過無線個(gè)人局域網(wǎng)WPAN 與充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟A包括：
[0016] 步驟Al:室內(nèi)所有的智能設(shè)備實(shí)時(shí)采集WLAN的AP的接收信號強(qiáng)度信息，并將所 述接收信號強(qiáng)度信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過指紋匹配算法確定每個(gè)智能設(shè)備的位置信 息；
[0017] 步驟A2:服務(wù)器迭代計(jì)算第i個(gè)智能設(shè)備T1和第j個(gè)智能設(shè)備T,之間的歐氏 距離di，，并在各次迭代中將歐氏距離最小的兩個(gè)智能設(shè)備聚合在一個(gè)類中，得到了多個(gè)類 的集合C，即CkGC，k= 1，2,…，N/2,其中，N表示智能設(shè)備的個(gè)數(shù)，Ck表示第k組歐氏距 離最小的兩個(gè)智能設(shè)備所聚合的類，第i個(gè)智能設(shè)備和第j個(gè)智能設(shè)備的選擇是任意的； [001引步驟A3 :迭代計(jì)算集合C中的第i個(gè)類C郝第j個(gè)類C,之間的類距離P(C1，C,)， i，j= 1，2,. . .，N/2且i聲j，并在各次迭代中將類距離最小的兩個(gè)類進(jìn)行合并，直到最終 合并出的類的個(gè)數(shù)滿足設(shè)定的要求，其中：
[0019] P(Cl,Cj) =app(Cp,Cj) +aqp(Cq,Cj) + 0pP(Cp,Cj);
[0020] 其中，Cp表示集合，且屬于集合Ci的子集；Cq表示集合，且屬于Ci的子集；P(Cp,Cj) 表示集合Cp與Ci之間的距離，P(Cq，Cj)表示集合Cq與Ci之間的距離，集合C1由集合CP和 集合Cq合并而成，且距離系數(shù)aP、a。、Pp的計(jì)算公式如下；
陽0巧式中：m。、m。、m,分別表示第P、q、j個(gè)類中的智能設(shè)備的數(shù)目，P、q、j為正整數(shù)； 陽02引步驟A4 :服務(wù)器計(jì)算每個(gè)類中智能設(shè)備的剩余能量，選擇每個(gè)類中剩余能量最高 的=個(gè)智能設(shè)備充當(dāng)該類的簇頭，其中計(jì)算智能設(shè)備的在初始階段所耗能量的計(jì)算公式如 下：
[0026] 式中：E(T1，CH)Wtup表示充當(dāng)簇頭的智能設(shè)備T1在初始階段setup的能耗， 表示智能設(shè)備Ti掃描WLAN的AP時(shí)的能耗，馬;完表示智能設(shè)備Tl通過WLAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸時(shí)的能耗，Ekx (1a，d)表示智能設(shè)備T湛收確認(rèn)信息數(shù)據(jù)帖的能耗，Etx(1。，d)表示智能設(shè) 備T發(fā)送聚類信息數(shù)據(jù)帖的能耗，E(Ti，non-CH)Wtup表示充當(dāng)非簇頭的智能設(shè)備T迫初 始階段的能耗，E^Qa,d)表示智能設(shè)備Tl發(fā)送確認(rèn)信息數(shù)據(jù)帖的能耗，E 表示智 能設(shè)備T湛收聚類信息數(shù)據(jù)帖的能耗，過。二知e呼，At,。。。表示智能設(shè)備捜索AP的時(shí) 間，Ps。。。表示智能設(shè)備在捜索AP時(shí)的發(fā)送功率，AtKy表示智能設(shè)備通過WLAN接收信息的 時(shí)間，町、表示智能設(shè)備通過WLAN接收信息時(shí)的功率；1A表示確認(rèn)信息數(shù)據(jù)帖的長度；1。表 示聚類信息數(shù)據(jù)帖的長度；e。1。。表示發(fā)送每比特信息的能量損耗；efs表示信號增益造成 的能量損耗；表示在多徑信道下信號增益造成的能量損耗；d表示智能設(shè)備T1與簇頭 之間的距離；
[0027] 步驟A5:服務(wù)器完成聚類后，選擇每個(gè)類中剩余能量最高的S個(gè)智能設(shè)備充當(dāng)簇 頭，并將每個(gè)類中的簇頭接收到的信息通過WLAN發(fā)送給剩余能量最高的智能設(shè)備，該智能 設(shè)備將該簇頭接收到的信息通過WPAN發(fā)送給類中的其他智能設(shè)備。
[0028] 優(yōu)選地，所述步驟2包括：
[0029] 步驟2. 1 :在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，定義智能設(shè)備的行動(dòng)空間為A，智能設(shè)備的行動(dòng)為曰，尋 找充當(dāng)非簇頭節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備在行動(dòng)空間A內(nèi)位置狀態(tài)移動(dòng)到位置狀態(tài)f,的概率非零 的配對狀態(tài)的概率指數(shù)集，記為集合I;
[0030] 若在行動(dòng)空間A內(nèi)位置狀態(tài)f,是最接近位置狀態(tài)f1，即位置狀態(tài)f,為滿足判斷條 件的任一位置，則從位置狀態(tài)移動(dòng)到位置狀態(tài)f,的概率非零，其中，判斷條件的幾何意義 是W為中屯、、2為邊長、相鄰點(diǎn)間距離為單位距離的矩形點(diǎn)陣，判斷條件的計(jì)算公 式如下： W31] Mi=(2.amax+1)2-1; 陽0巧式中：M康示概率非零的位置狀態(tài)的總個(gè)數(shù)，amax表示最大行動(dòng)距離；
[0033] 步驟2.2 :計(jì)算集合I中成對位置狀態(tài)的歐氏距離，將位置狀態(tài)與位置狀態(tài)f, 之間的歐氏距離記為di.j，i= 1，2,. . .，M,j= 1，2,. . .，N且i聲j，MXN表示整個(gè)位置狀 態(tài)空間的范圍；集合I由步驟2. 1得到。
[0034] 步驟2. 3 :根據(jù)集合I中成對位置狀態(tài)的歐氏距離計(jì)算對應(yīng)的高斯變換值，計(jì)算公 式如下：
[0036] 式中：礎(chǔ)""表示(11，的高斯變換，<表示位置狀態(tài)fl和該位置