[論文レビュー] An RSSI-based Wireless Sensor Node Localisation using Trilateration and Multilateration Methods for Outdoor Environment

Mohd Ismifaizul Mohd Ismail, Rudzidatul Akmam Dzyauddin+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、868 MHzのLoRaを用いた屋外無線センサーノードの局所化において、RSSIに基づく三網線法と多網線法の評価を行った。それぞれ3台および4台の受信ノードを用いた場合、多網線法は三網線法（2.30m）よりも低い一般化局所化誤差（1.83m）を達成した。これは、受信ノード数を増やすことで屋外環境における局所化精度が向上することを示している。

ABSTRACT

Localisation can be defined as estimating or finding a position of the node. There are two techniques in localisation, which are range-based and range-free techniques. This paper focusses on the Received Signal Strength Indicator (RSSI) localisation method, which is categorised in a range-based technique along with the time of arrival, time difference of arrival and angle of arrival. Therefore, this study aims to compare the trilateration and multilateration method for RSSI-based technique for localising the transmitted (Tx) node. The wireless sensor module in the work used LOng-RAnge radio (LoRa) with 868MHz frequency. Nowadays, wireless networks have been a key technology for smart environments, monitoring, and object tracking due to low power consumption with long-range connectivity. The number of received (Rx) nodes are three and four for trilateration and multilateration methods, respectively. The transmitted node is placed at 32 different coordinates within the 10x10 meter outdoor area. The results show that error localisation obtained for General Error Localisation (GER) for multilateration and trilateration is 1.83m and 2.30m, respectively. An additional, the maximum and minimum error for multilateration and trilateration from 1.00 to 5.28m and 0.5 to 3.61m. The study concludes that the multilateration method more accurate than trilateration. Therefore, with the increasing number of Rx node, the accuracy of localisation of the Tx node increases.

研究の動機と目的

• 屋外環境におけるRSSIベースの局所化のための三網線法と多網線法の技術を評価・比較すること。
• RSSI測定を用いて受信ノード数を増加させた場合の局所化精度への影響を評価すること。
• 実世界の屋外ノード局所化に適した低消費電力・長距離無線センサーネットワークを実装・テストすること。
• 実用的な屋外展開において局所化誤差を最小限に抑える最適な手法を特定すること。

提案手法

• 送信（Tx）ノードと複数の受信（Rx）ノード間の距離を推定するためにRSSIベースの距離測定が用いられた。
• 三網線法では、3台のRxノードを用いて、多網線法の幾何学的構成に基づきTxノードの位置を推定した。
• 多網線法では、過剰なシステムを解くことで位置推定精度を向上させるために4台のRxノードを用いた。
• 868 MHzで動作するLoRa変調器を用いて、屋外条件下での長距離・低消費電力通信を実現した。
• Txノードを10×10メートルの領域内に32の事前定義された座標に配置し、RSSIデータを収集した。
• 位置推定は三網線法および多網線法のアルゴリズムを用いて計算され、誤差は真の位置からのユークリッド距離として算出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屋外環境においてRSSIを用いた多網線法と三網線法の局所化精度は、どのように比較されるか？
• RQ2 受信ノード数を増加させた場合、RSSIベースの局所化誤差にどのような影響があるか？
• RQ3 LoRaベースのRSSI距離測定は、実際の屋外環境で信頼性があり正確なノード局所化を達成できるか？
• RQ4 三網線法および多網線法で観測された最大および最小の局所化誤差はそれぞれどれくらいか？

主な発見

• 多網線法は一般化局所化誤差（GER）1.83メートルを達成し、三網線法の2.30メートルを上回った。
• 多網線法の最小局所化誤差は1.00メートルであり、最大では5.28メートルに達した。
• 三網線法では、誤差が0.50〜3.61メートルの間で変動し、より高いばらつきが示された。
• 本研究では、受信ノード数を増やすことで局所化誤差が低減し、精度が向上することを確認した。
• 環境要因による信号フェージングや多径効果の影響を受けるものの、LoRaを用いたRSSIベースの局所化は屋外環境でも実現可能である。