基于WSN无源被动式目标跟踪的RSS 特性
研究
曾艳，门爱东**
作者简介：曾艳，（1987-），女，在读研究生，主要研究方向：无线传感器网络。
通信联系人：门爱东，（1966-），男，教授，主要研究方向：数字电视. E-mail: yef279@bupt.edu.cn
5 （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）
摘要：传统信道建模都是用于描述收发装置之间的信号关系，对无源被动式目标跟踪问题下
的信号特性研究甚少。本文通过大量室内外实验，对比分析无源被动式目标跟踪问题下的室
内外接收信号强度（RSS）的统计特性，分析RSS 与距离、与目标物体位置的关系。特别是
针对室内复杂环境，本文分类统计不同的RSS 表现形式。最后，本文利用拉普拉斯分布拟合
10 RSS 与目标物体位置的统计关系，建立可用于无源被动式目标跟踪的测量模型。
关键词：无线传感器网络；接收信号强度；拉普拉斯分布
 25 0 引言
无线传感器网络作为一种全新的信息获取手段，是当前备受关注的由多类学科交叉而成
的前沿热点研究领域[1]。其中，定位与跟踪是无线传感器网络的主要研究方向之一，其在安
全监控、火灾抢险、军事反恐等领域中都有非常重要的应用。
基于接收信号强度（RSS）的定位跟踪方法是无线传感器网络的一种目标感知方法。它
30 在充满遮挡和缺乏光照的环境中拥有强大的适应能力，节点设备结构简单，价格低廉，是目
前主流的无线传感器网络定位方法[2]。
现有的跟踪系统大都需要被跟踪目标物体携带收发装置，与已知位置的监控节点进行通
信，应用范围局限。为解决无源目标的定位跟踪问题，无源被动式目标跟踪[3]的概念被提出，
其基本思想是通过测量目标物体对无线信号的干扰特性，估计目标物体的位置，不需要被跟
35 踪目标携带收发装置。
由于传统的信道建模都是用于描述收发设备之间的信号强度，对无源被动式目标跟踪这
一特殊问题下的RSS 特性研究甚少，因此本文通过大量实验和理论分析，建立无源被动式
目标跟踪问题中目标位置与RSS 的统计关系。测量模型的好坏决定了跟踪系统的好坏，模
型描述RSS 统计特性的准确程度，决定了跟踪系统的精度。本文旨在研究室内外RSS 测量
40 数据与目标物体位置的统计特性，建立准确的测量模型，用于后续无源被动式目标跟踪的实
现。
 1 测量实验
1.1 实验平台
本文利用德州仪器新型2.4G 射频收发芯片CC2530 自主搭建实验平台，采集不同环境
45 下的接收信号强度（RSS）测量数据。CC2530 由于内部集成了RF 收发器、增强工业标准
的8051MCU 和多种存储器，具备功耗低，成本低等优点，适合于无线传感器网络应用[4]。
实验中，普通节点构建令牌环网络，顺序广播数据；数据汇聚节点负责实时地将网络内
所有数据传送至PC 端，用于后续跟踪处理。目标物体沿着事先知道的轨迹匀速运动，实验
人员随时记录目标物体的当前位置和当前时间。
50 1.2 实验环境
室外实验在空旷的操场实现，使用24 个节点搭建7m×7m 的网络，具体布局见图1。
室内实验在典型的室内实现，网络内有桌椅、电脑等多种常见室内障碍物，使用24 个
节点搭建8m×8m 的网络，具体布局见图2。
55
（a）室外实验 （b）室外实验节点位置和目标物体运动轨迹示意图
图1 室外实验布局
60 Fig.1 The layout of outdoor experiment deployment
 图2 室内实验节点位置和目标物体运动轨迹示意图
Fig.2 The layout of indoor experiment deployment
65
2 实验结果
本文实验分析考虑目标物体与链路的两种关系，一是目标物体在链路视距（LOS）上；
二是目标物体不在链路视距上。
2.1 室外实验结果
70 2.1.1 RSS 与距离的关系
无线通信基本理论指出，接收器和发射器之间的信号随距离对数衰减[5]，服从公式（1）。
0 10
0
( )[ ] 10 log ( ) r t
P d dBm P P n d
d
= − − ………………………………………………...（1）
其中，Pr，Pt 和P0 分别为发射功率、接收功率和离发射器距离d0 处的功率，d 为接收
器离发射器的距离，n 为衰减指数。
75 室外空载网络实验数据显示，无线电在空旷室外的传播可近似为自由空间传播，RSS
服从对数衰减且n≈2，见图3。
 图3 室外RSS 随距离对数衰减
Fig.3 Outdoor RSS vs. Distance
80
2.1.2 RSS 与目标物体位置的关系
实验数据显示，链路RSS 变化值的统计特性依据不同目标物体的位置有明显区别，两
者数据重叠部分较少，可简单区分，见图4。当目标物体在链路LOS 上时，链路RSS 衰减
10 dB 左右；当目标物体不在链路LOS 上时，链路RSS 似噪声波动。前者数据分布的方差
85 大于后者。
difference measurement vacant RSS =RSS −RSS .............................................................................（. 2）
其中，RSSdifference 为RSS 变化量，RSSmeasurement 为RSS 当前测量值，RSSvacant 为空载网
络链路的平均值。
90 图4 室外RSS 变化值分布直方图
Fig.4 RSS difference histogram of outdoor data
 2.2 室内实验结果
2.2.1 RSS 与距离的关系
95 室内空载网络实验数据显示，无线电在室内非自由空间传播，实验数据仍服从对数衰减，
n≈2.3，但同一距离下的RSS 变化幅度较室外大，见图5。
图5 室内RSS 随距离对数衰减
Fig.5 Indoor RSS vs. Distance
100
2.2.2 RSS 与目标物体位置的关系
实验数据显示，链路RSS 变化值的统计特性依据不同目标物体的位置有区别，但重叠
部分增多，不易区分，见图6。当目标物体在链路LOS 上时，链路RSS 或衰减或增大5dB
左右；当目标物体不在链路LOS 上时，链路RSS 仍似噪声波动。前者数据分布的方差大于
105 后者。
图6 室内RSS 变化值分布直方图
Fig.6 RSS difference histogram of indoor data
 110 2.2.3 链路RSS 特性
为了进一步研究室内RSS 特性，本文分类总结了网络内的276 条链路，发现RSS 主要
有四类不同表现形式，见图7。
Link 1 为正常表现，似室外特性，目标物体在链路LOS 上，链路RSS 衰减；目标物体
不在链路LOS 上，链路RSS 似噪声波动。
115 Link 2 为反向表现，目标物体在链路LOS 上，链路RSS 增大；目标物体不在链路LOS
上，链路RSS 似噪声波动，但波动大于Link 1。
Link 3 为无反应表现，目标物体在不在链路LOS 上，链路RSS 都似噪声波动，波动大
于Link 1。
Link 4 为大波动表现，目标物体在不在链路LOS 上，链路RSS 都似噪声波动，且波动
120 异常大，RSS 瞬时变化值大于目标物体在Link 1 链路LOS 上。
由于Link 2，3，4 的存在，使得RSS 与目标物体位置的统计关系异于室外，进而使得
室内无源被动式目标跟踪难于室外。
图7 室内不同链路RSS 表现
125 Fig.7 Different RSS performance for different links in indoor environment
3 RSS 测量模型
观察室内不同目标物体位置下的RSS 变化分布，发现其符合拉普拉斯分布[6]。
f (s;a,b, ) ab e a( s)
a b
ψ = − ψ −
+
if s ≤ψ ……………………………………………..（3）
= ab e b(s )
a b
− −ψ
+
130 if s >ψ ……………………………………………..（4）
其中，a，b 是拉普拉斯分布单边衰减指数，ψ是s 的众数。
根据最大似然准则，给定m 个RSS 变化值1 { }m
i i x = ，即可求得拉普拉斯分布参数a，b。
 1 1 ( )
i
i
x
x N
c x
a
x
ψ
ψ
ψ
ψ
≤
− − −
−
=
−
Σ
......................................................................................（. 5）
1
b 1
x
a
ψ
=
+ −
.....................................................................................................................（6）
其中，c 为m 个RSS 变化值1 { }m
i i x 135 = 中x ≤ψ 的个数。
由公式（5），（6）拟合图6，得表1 参数。图8 分位数-分位数图显示，拉普拉斯分
布很好地拟合了不同目标位置下的室内RSS 变化值的分布。
表1 拉普拉斯拟合参数
140 Tab. 1 Parameters for fitted Laplace distribution
a b ψ
Target On LOS 0.2541 0.4352 -0.304
Target Off LOS 0.8678 1.0728 0.0368
图8 分位数-分位数图
Fig.8 Quantile-Quantile plot for different target positions
145
4 结论
本文通过多次室内外重复实验，对比分析无源被动式目标跟踪问题下的室内外接收信号
强度RSS 统计特性；针对室内复杂环境，分类统计不同链路的不同RSS 表现形式。最终，
通过拉普拉斯分布建立RSS 与目标物体位置的统计关系，确定测量模型。下一步，将这一
150 测量模型与粒子滤波等技术结合，实现室内无源被动式目标跟踪。
[参考文献] (References)
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[2] Zhang Qingxin, Di Qinglong, Xu Guangyan, etal. A RSSI based localization algorithm for multiple mobile
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