[论文解读] 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 20

一句话总结

本研究评估了在868 MHz频段使用LoRa技术进行室外无线传感器节点定位时，基于接收信号强度指示（RSSI）的三边测量法与多边测量法。在分别使用三个和四个接收节点的情况下，多边测量法的总体定位误差（1.83米）低于三边测量法（2.30米），表明在室外环境中增加接收节点数量可提高定位精度。

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.

研究动机与目标

• 评估并比较在室外环境中基于RSSI的三边测量法与多边测量法的定位技术。
• 评估增加接收节点数量对基于RSSI测量定位精度的影响。
• 实现并测试一种低功耗、长距离的无线传感器网络，利用LoRa技术在真实室外环境中进行节点定位。
• 确定在实际室外部署中最小化定位误差的最佳方法。

提出的方法

• 使用基于RSSI的测距技术估算发射（Tx）节点与多个接收（Rx）节点之间的距离。
• 三边测量法利用三个Rx节点，通过多边测量几何原理估算Tx节点的位置。
• 多边测量法利用四个Rx节点，通过超定方程组求解提高位置估计的准确性。
• 采用工作在868 MHz频段的LoRa收发器，在室外条件下实现长距离、低功耗通信。
• 将Tx节点放置在10×10米区域内预先设定的32个坐标点上，以收集RSSI数据。
• 使用三边测量法和多边测量法算法计算位置估计值，并以真实位置与估计位置之间的欧几里得距离计算误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室外环境中，基于RSSI的多边测量法与三边测量法在定位精度方面有何差异？
• RQ2 增加接收节点数量对基于RSSI的定位误差有何影响？
• RQ3 基于LoRa的RSSI测距是否能在真实室外环境中实现可靠且准确的节点定位？
• RQ4 三边测量法与多边测量法观测到的最大和最小定位误差分别是多少？

主要发现

• 多边测量法实现了1.83米的总体定位误差（GER），优于三边测量法的2.30米。
• 多边测量法的最小定位误差为1.00米，最大误差达到5.28米。
• 三边测量法的误差范围为0.50至3.61米，表明其误差波动更大。
• 本研究证实，增加接收节点数量可降低定位误差并提高定位精度。
• 基于RSSI的LoRa定位在室外环境中是可行的，但受环境信号衰落和多径效应的影响。