第２０卷第１１期２００７年１１月
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传感技术学报
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基于ＲＳＳＩ测距分析
方震１，赵湛“，郭鹏１’２，张玉国１’２
（１．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京ｌｏ００３９）
摘
要：作为一种全新的信息获取和处理方式，无线传感器网络可以应用在广泛的领域内实现复杂的大规模监测和追踪任
务，而网络自身的定位是太多数应用的基础．基于距离的定位是通过测量节点间距来实现的．利用ＲｓＳＩ测距只需较少的通信开销和较低的实现复杂度．这在能量有限的网络节点中是非常重要的．论文分析ＲｓｓＩ测距的原理，实验验证Ｒｓｓｌ测试可重复性，在适度的动态环境中ＲｓｓＩ变化有规律性，采用加权和均值法消除环境因素对ＲＳＳＩ测量的影响．实验验证在１５ｍ以内的测距精度可达到２ｎ
关键词：无线传感器网络；节点定位；ＲｓＳＩ测距ｉ环境因素中图分类号：１１Ｐ２１２．９；ＴＮ３９３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４＿１６９９（２００７）１ｌ一２５２６－０５
在无线传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器网络节点监测消息中所包含的
ＧＰｓ、红外线和超声测距都需要额外的硬件，增加了
节点的硬件成本和尺寸，ＧＰＳ和红外线测距误差较
大，而利用超声方法测距很精确，测距误差只有１０
重要信息“－２］，了解传感器节点位置信息还可以提高
路由ｍ３等等．基于距离的定位必须测量节点间间距，现常用的测距方式有ＧＰＳ［“、红外线ｏ］、超声波Ｌ７１和ＲＳＳＩ嗍等．
∞，但是受气温湿度等的影响较大．基于ＲｓｓＩ的定
位无须额外硬件，利用对接收无线信号的强度判断，
推导收发节点问的距离，计算接收无线信号强度是
商用无线收发芯片具备的功能．基于ＲＳｓＩ的测距
提供了最廉价的定位方法，而且节点没有添加任何
１四种测距法比较
表ｌ所示为上述四种测距方法的性能比较，
收稿日期：２００７∞４－ｏｓ
修改日期：２００７＿０６＿２６
部件，基于超声的测距虽然定位精度较高，但是需要添加硬件、增加节点成本和尺寸，所以基于ＲｓＳＩ的
万方数据
第ｌｌ期方震，赵湛等：基于ＲｓＳＩ测距分析
２５２７
测距是无线传感器网络定位较常采用的方法，论文以下部分从原理和实验两方面对ＲＳＳＩ测距进行深入论证．
衰１不同测距方法性能比较
２
ＲＳＳＩ测距原理
无线信号的发射功率和接收功率之间的关系
可以用式（１）表示，Ｐｘ是无线信号的接收功率，ＰＴ是无线信号的发射功率，ｒ是收发单元之间的距
离，ｎ传播因子，数值大小取决于无线信号传播的
环境．
ＰＲ＝ＰＴｆＰ
（１）
在公式（１）两边取对数可得到式（２），１０・ｎＩｇｒ＝１０ＩｇＰＴ／ＰＲ（２）节点的发射功率是已知的，将发送功率代入式
（２）中可得式（３），
１０ｌｇＰＲ＝Ａ一１０・ｎｌｇｒ
（３）式（３）的左半部分１０ｌｇＰＲ是接收信号功率转换为ｄＢｍ的表达式，可以直接写成式（４），在式（４）中Ａ可以看作信号传输ｌｍ远时接收信号的功率．
ＰＲ（ｄＢｍ）＝Ａ一１０・ｎｌｇｒ
（４）
由式（４）中可以得到常数Ａ和”的数值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系，分析这两个常数对信号传输距离的影响．先假定ｎ不变，Ａ变化的话，则由如图１所示的关系曲线图．从图１所示，
信号传播因子ｎ为定值，在不同的初始发射信号功率下ＲＳＳＩ与传播距离之间的关系．可得无线信号在传播过程的近距离信号衰减相当厉害，远距离时信
号呈缓慢线性衰减．当发射信号功率增加时，增加的
传播距离近似为发射信号功率增加量和曲线在平缓
阶段的斜率的比值．
囤１ｎ不变，Ａ变化时ＲｓＳＩ与距毒曲线图万
方数据如果Ａ不变时，不同的ｎ时ＲｓｓＩ与信号传播
距离的关系如图２所示．当ｎ取值越小时，信号在传播过程衰减越小，信号就可以传播很远的距离，从图
２可以看到良好的传播因子ｎ特性，增加发射信号功率都能增加信号传播距离．传播因子主要取决于无线信号在空气中的衰减、反射、多径效应等干扰，
如果干扰较小的话，传播因子ｎ值越小，信号传播距离越远，无线信号的传播曲线越接近于理论曲线，基于ＲｓｓＩ的测距就会越精确．
图２
Ａ不变，ｎ变化时ＲＳｓＩ与传播曲线图
３
ＲＳＳＩ与距离关系
实验是在一片空旷的草坪上进行的，无线通信
平台选择ＴＩ公司的无线收发芯片ＣＣ２４２０．在研制的５０个节点”１中随机选择编号为９、１８、３０、４０的节点为无线信号发射节点，１号节点接收数据，发送接收节点使用的是短杆状天线，节点放置的高度１．５ｎ现将１号节点固定，移动发射节点，发射节点功率设置为最大值ｏｄＢｍ，连续发射１００ｂｙｔｅ长度的固定数据，每隔７米记录一次ＲＳｓＩ值、ＬＱＩ值和相应的传输误码率．
记录的ＲＳＳＩ数据经过拟合曲线如图３所示．从图３可以看出四个节点的拟合曲线在传输１０ｍ后曲线是平行的，只是曲线之间有一定间距．从理论曲线分析可知，上述拟合曲线的常数Ａ的取值不同，依次递增的顺序为９、３０、４０、１８号节点，而传播因子ｎ是相同的．用频谱仪测试了编号为９、１８、３０、４０号节点的最大发射功率，测试结果如表２所示．
图３不同节点的ＲｓｓＩ值和无线信号传输距离拟合曲线
２５２８
传感技术学报
２００７年
衰２不同节点的发射功率测量
节点编号最大发射功率／ｄＢｍ
测试条件９—１．３节点发射非调制载１８０．５６３０－０．６３波信号直接将射频４０
０．０７
信号引人频谱仪
从表２可知节点发射功率从编号为９、３０、４０、
１８依次增加，这是无线传输单元的元件选择和焊接
工艺的不一致性导致的．节点之间的硬件差异可以通过标准化工业回流焊接工艺来避免．Ａ值也就是距离发射节点一米外的接收信号强度实际测量也是
依上述节点编号依次增加，这与理论分析完全吻合．上述实验证实无线信号接收强度和传播距离之间存
在确定对数关系，虽然不同的节点之间存在差异，但是在实际使用时可以购置统一元器件、使用标准化焊接工艺，使节点尤其是无线部分保持高度一致性．
４环境对ＲＳＳＩ测量影响
无线信号在实际应用中，总会受到很多不稳定因素的干扰，在不同的应用环境中受到干扰也不相同．无线网络节点可用于室内也可用于室外，节点应用的环境总是存在可变的因素，这些可变的因素对节点无线信号的传输存在影响．必须要验证这些因
素影响到底有多大，是否存在规律，能否通过标定和
补偿来消除这些因素对测量的影响．
首先考虑改变节点的放置方向，考察接收数据的无线信号强度变化情况，固定发射节点和接收节点，设置发射节点发射２００帧数据，接收节点将记录每帧数据的无线信号强度，然后将发射节点的位置改变１８０。，重复上述的测量步骤．其次考虑节点周围的物体变动，在实验室内测试时，在发射节点边放了一把椅子．最后要考虑一个人在发射节点边周围走动．后面两种情况也是重复第一种情况下的测试．在上述三种情况下，接收节点记录环境改变的测试数据．将三种情况下的测试数据分别画图如４所示．
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图４在不同干扰条件下的ＲｓＳＩ值变化曲线
图４所示为节点方位改变１８０９后和改变前的ＲＳＳＩ值变化曲线，图４（ａ）所示为节点旁边物体变动前后ＲＳＳＩ值变化曲线；图４（ｂ）为节点周围有无人移动时ＲｓｓＩ值变化曲线．可看到稍许移动节点边的物体对ＲＳＳＩ值测量影响很微弱；改变节点的
方位将整体改变ＲｓＳＩ的值，但是ＲＳＳＩ值变动很
小；有人在节点边移动时，ＲＳＳＩ值变动较大，但是
ＲｓｓＩ整体均值改变较小，这和改变节点方位的影响
正相反．
无线节点系统应用在室外的话，野外的气象条
件变化对无线信号的传输也会产生影响．在野外主
要考虑的气象条件因素是温度和湿度变化，经过实验验证，温度和湿度条件变化对无线信号传输的影响是没有规律的，但影响效果不明显，可以采取均值或前后测量值加权等方法将其影响消除．
从以上理论分析和实验验证结果表明ＲｓＳＩ和无线信号传输距离之间有确定关系，ＲＳＳＩ的测量具有重复性和互换性，在应用环境下ＲＳＳＩ适度的变化有规律可询．在解央好环境因素影响后，ＲＳＳＩ可以进行室内和室外的测距及其定位．
利用ＲＳＳＩ测距时，要避免ＲｓＳＩ的不稳定性，
使Ｒ跚值越精确的体现无线信号的传输距离，通
过设计各种滤波器使ＲＳＳＩ的值平滑．最常用也是较容易实现的两种滤波器形式是平均值和加权滤波器，其中平均值滤波器是最基本的滤波形式，但是它需要收发节点之间进行多次数据传输；加权滤波器
第１ｌ期方震，赵湛等：基于ＲｓｓＩ测距分析
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只需要两次ＲｓｓＩ测量数据，虽然要求数据少，但是也会保证ＲｓＳＩ值的变化平滑．５
ＲＳＳＩ测距
利用ＲＳＳＩ测距必须知道Ａ值和ｎ值，Ａ值为
无线收发节点相距１ｍ时接收节点接收无线信号
强度值，ｎ值是无线信号的传播因子，这两个值都是
经验值，和具体使用的硬件节点和无线信号传播的环境密切相关，所以测距前必须在应用环境中把两个经验值标定好，标定的准确与否，直接关系到测距定位的精度．
测距实验设置在一片空旷少干扰的草坪上．首先标定Ａ值，天线尽量选择全向天线，在实际应用中全向天线是一个理想的情况，为避免天线的非全向性带来的测量误差，使用如图５所示的节点安置方法，与前面验证实验不同的是节点是放置在地面的，使用了长杆状天线．
图５标定Ａ值时节点放王方式
图５中，Ｒ、Ｐｚ、Ｐｚ、Ｐ３为发射节点，而接收节点放置在圆心处．发射节点依次或者通过竞争机制获取信道，发送５０个数据帧，接收节点将记录信息包对应的ＲｓｓＩ值，图６是接收节点记录的来自四个方向上发送节点的ＲｓＳＩ值对应的曲线．
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图６四个不同方向上节点的ＲｓＳＩ值曲线圈
图６可以看出节点所使用天线并不是理想的全向天线，在其中的一个方向上ＲＳｓＩ值偏低・在其他三个方向上ＲＳＳＩ值比较一致的，图中直线对应的是四
个方向上膦Ｉ的平均值，红色直线在纵轴上的截距
万
方数据为一４５．８，所以实验标定的Ａ值为一４５．８．
标定无线信号传播因子ｎ值时也存在天线全向性问题，为了提高标定精度，实验也采取如图５所示的标定方法．传播因子”值可以通过ＲＳＳＩ与距离的拟合曲线得到，也可以利用论文中提到的理论公式（４）反推得到，实验采用拟合曲线方法得到传播因子”值．
采用如图５所示的节点布置方法来标定，选择四个无线收发性能相同的节点作为发射节点安置在接收节点四周，每隔１．４ｍ（两步）四个发射节点
依次发送５０个数据包给接收节点，接收节点将
２００个数据包转换为相应的ＲｓｓＩ值并求平均值，求得的平均值作为无线收发节点在相应距离下的ＲｓＳＩ值，从零米一直测量到４５ｍ，测试数据经拟合后如图７所示．其数据拟合曲线如公式（５）所示．
ＲＳＳＩ（ｄＢｍ）＝一４６—１３・ｌｎ（ｒ—Ｏ．０２）
（５）
将公式（５）变换可得公式（６）．ＲＳＳＩ（ｄ＆ｎ）一一４６—３．０・ｎ１驴
（６）
图７Ｒｓｓｌ与距离的扭舍曲线
图７所示的拟合曲线的拟合度为ｏ．９６，表明ＲＳＳＩ均值和距离之间存在确定的函数关系，且ＲＳ＿ｓＩ数值较稳定．从拟合曲线可得Ａ值为一４６
ｄＢｍ，
这与实验标定的一４５．８ｄＢｍ相差很小，可以认为两
者是吻合的，传播因子ｎ值为３．仔细分析ＲｓＳＩ值与距离的拟合曲线，可以看到在前１５ｍ以内，ＲｓＳＩ值随距离增加变化较明显．而１５ｍ以后，ＲｓｓＩ值随距离变化不明显，如果测量距离超过１５ｍ的话，则测距的精度得不到保证．所以在此测试环境下，利用ＲＳＳＩ的测距范围尽可能限定在１５ｍ以内，这样测距精度较高．
这是本测试环境对应的参数，如果环境改变的话，Ａ值和传播因子ｎ值都需要重新标定，精确才可测距．利用标定好的ＲｓＳＩ和传输距离的关系，进行
了测距实验，分别利用ＲｓｓＩ单次测量、加权测量、
平均值测量三种模式测距，选取无线信号性能相似
２５３０
传感技术学报
２００７年
的节点做测距实验，每隔５ｍ测量一次，一直测量到３０ｍ图８所示为三种模式测距误差分布图．
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围８三种洲距模式在不同测距距离下的误差分布图
从图８中，可以得到单次ＲＳＳＩ测距误差最大，
测量距离在１５ｍ以内的最大的测距误差为１．９
ｍ，
约为测量距离的１２．７％；而平均值ＲｓｓＩ测距在１５ｍ以内的误差最小，最大的测距误差为１．４ｍ，约为测量距离的９％．测量距离在１５ｍ和３０ｍ之间，单次ＲＳＳＩ测距误差最大为６．８ｍ，约为测量距离的２２．７蹦Ｉ平均值ＲＳＳＩ测距误差最小，最大的测距误
差为１．８ｍ，约为测量距离的１６．７％．加权ＲＳＳＩ测
距精度介于单次ＲＳｓＩ测距和平均值ＲｓＳＩ测距之间．测距范围在１５ｍ以内，三种模式的测量误差最大百分比为１２．７％，测距范围在３０ｍ以内，三种模式的测量误差最大百分比为２２．７％．可见在１５ｍ
以内的测距精度还是可以的，当测量距离增加时，测
距误差明显增加．
从测试结果分析看，平均值ＲＳＳＩ测距误差小，
但是测距过程消耗能量多，对测距精度要求高时，可
以选择平均值ＲｓｓＩ测距．单次ＲｓＳＩ测距误差较大，测距过程消耗能量少，对测距精度要求不高时，
可以选择单次ＲＳｓＩ测距．而加权ＲＳＳＩ测距误差介于上述两者之间，能量消耗也较少，适用与大多数无
线传感器网络定位的测距要求．
６结论
本文对ＲＳＳＩ测距从原理和实验上进行了全面
方震（１９７６一），男，２００７于中国科学院电子所物理电子学专业获博士学位，现就职于中国科学院电子所．主要研究方向无线传感器网络、集成传感器系统
等，铀帆出＠ｇｒ∞ｉＬ∞ｍ
万
方数据分析和论证，证实消除环境影响的因素，ＲｓｓＩ测距
在１５ｍ的近距离测距精度在２ｍ以内，可以满足
太多数无线传感器网络节点定位的需求，但是远距
离的测距误差较大．参考文献：
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［９］郭鹏ｔ赵湛．方震，张玉国．分层复用ｗｓＮｓ节点及其软件平台
设计［Ｊ］．徽计算机与信息，２００６．２２（１ｌ－２）：４９—５１．
赵湛（１９５８－）。男＋中国科学院电子所研究员．博士．博士生导师，中国电子学会高级会员．发表论文六十余篇，近年申请了发明专利ｌｏ多项．目前主要从事集成传感器、无线传感器网络等领域
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基于RSSI测距分析
作者：作者单位：
方震， 赵湛， 郭鹏， 张玉国， FANG Zhen， ZHAO Zhan， GUO Peng， ZHANG Yu-guo方震,赵湛,FANG Zhen,ZHAO Zhan(中国科学院,电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京,100080) ， 郭鹏,张玉国,GUO Peng,ZHANG Yu-guo(中国科学院,电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京,100080;中国科学院,研究生院,北京100039)传感技术学报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS2007,20(11)31次
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgjsxb200711037.aspx
第２０卷第１１期２００７年１１月
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传感技术学报
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ｍｅｎｔａｌｆａｃｔｏｒ
ＥＥＡＣＣ：７２３０；６１５０Ｐ；７３２０ｃ
基于ＲＳＳＩ测距分析
方震１，赵湛“，郭鹏１’２，张玉国１’２
（１．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京ｌｏ００３９）
摘
要：作为一种全新的信息获取和处理方式，无线传感器网络可以应用在广泛的领域内实现复杂的大规模监测和追踪任
务，而网络自身的定位是太多数应用的基础．基于距离的定位是通过测量节点间距来实现的．利用ＲｓＳＩ测距只需较少的通信开销和较低的实现复杂度．这在能量有限的网络节点中是非常重要的．论文分析ＲｓｓＩ测距的原理，实验验证Ｒｓｓｌ测试可重复性，在适度的动态环境中ＲｓｓＩ变化有规律性，采用加权和均值法消除环境因素对ＲＳＳＩ测量的影响．实验验证在１５ｍ以内的测距精度可达到２ｎ
关键词：无线传感器网络；节点定位；ＲｓＳＩ测距ｉ环境因素中图分类号：１１Ｐ２１２．９；ＴＮ３９３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４＿１６９９（２００７）１ｌ一２５２６－０５
在无线传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器网络节点监测消息中所包含的
ＧＰｓ、红外线和超声测距都需要额外的硬件，增加了
节点的硬件成本和尺寸，ＧＰＳ和红外线测距误差较
大，而利用超声方法测距很精确，测距误差只有１０
重要信息“－２］，了解传感器节点位置信息还可以提高
路由ｍ３等等．基于距离的定位必须测量节点间间距，现常用的测距方式有ＧＰＳ［“、红外线ｏ］、超声波Ｌ７１和ＲＳＳＩ嗍等．
∞，但是受气温湿度等的影响较大．基于ＲｓｓＩ的定
位无须额外硬件，利用对接收无线信号的强度判断，
推导收发节点问的距离，计算接收无线信号强度是
商用无线收发芯片具备的功能．基于ＲＳｓＩ的测距
提供了最廉价的定位方法，而且节点没有添加任何
１四种测距法比较
表ｌ所示为上述四种测距方法的性能比较，
收稿日期：２００７∞４－ｏｓ
修改日期：２００７＿０６＿２６
部件，基于超声的测距虽然定位精度较高，但是需要添加硬件、增加节点成本和尺寸，所以基于ＲｓＳＩ的
万方数据
第ｌｌ期方震，赵湛等：基于ＲｓＳＩ测距分析
２５２７
测距是无线传感器网络定位较常采用的方法，论文以下部分从原理和实验两方面对ＲＳＳＩ测距进行深入论证．
衰１不同测距方法性能比较
２
ＲＳＳＩ测距原理
无线信号的发射功率和接收功率之间的关系
可以用式（１）表示，Ｐｘ是无线信号的接收功率，ＰＴ是无线信号的发射功率，ｒ是收发单元之间的距
离，ｎ传播因子，数值大小取决于无线信号传播的
环境．
ＰＲ＝ＰＴｆＰ
（１）
在公式（１）两边取对数可得到式（２），１０・ｎＩｇｒ＝１０ＩｇＰＴ／ＰＲ（２）节点的发射功率是已知的，将发送功率代入式
（２）中可得式（３），
１０ｌｇＰＲ＝Ａ一１０・ｎｌｇｒ
（３）式（３）的左半部分１０ｌｇＰＲ是接收信号功率转换为ｄＢｍ的表达式，可以直接写成式（４），在式（４）中Ａ可以看作信号传输ｌｍ远时接收信号的功率．
ＰＲ（ｄＢｍ）＝Ａ一１０・ｎｌｇｒ
（４）
由式（４）中可以得到常数Ａ和”的数值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系，分析这两个常数对信号传输距离的影响．先假定ｎ不变，Ａ变化的话，则由如图１所示的关系曲线图．从图１所示，
信号传播因子ｎ为定值，在不同的初始发射信号功率下ＲＳＳＩ与传播距离之间的关系．可得无线信号在传播过程的近距离信号衰减相当厉害，远距离时信
号呈缓慢线性衰减．当发射信号功率增加时，增加的
传播距离近似为发射信号功率增加量和曲线在平缓
阶段的斜率的比值．
囤１ｎ不变，Ａ变化时ＲｓＳＩ与距毒曲线图万
方数据如果Ａ不变时，不同的ｎ时ＲｓｓＩ与信号传播
距离的关系如图２所示．当ｎ取值越小时，信号在传播过程衰减越小，信号就可以传播很远的距离，从图
２可以看到良好的传播因子ｎ特性，增加发射信号功率都能增加信号传播距离．传播因子主要取决于无线信号在空气中的衰减、反射、多径效应等干扰，
如果干扰较小的话，传播因子ｎ值越小，信号传播距离越远，无线信号的传播曲线越接近于理论曲线，基于ＲｓｓＩ的测距就会越精确．
图２
Ａ不变，ｎ变化时ＲＳｓＩ与传播曲线图
３
ＲＳＳＩ与距离关系
实验是在一片空旷的草坪上进行的，无线通信
平台选择ＴＩ公司的无线收发芯片ＣＣ２４２０．在研制的５０个节点”１中随机选择编号为９、１８、３０、４０的节点为无线信号发射节点，１号节点接收数据，发送接收节点使用的是短杆状天线，节点放置的高度１．５ｎ现将１号节点固定，移动发射节点，发射节点功率设置为最大值ｏｄＢｍ，连续发射１００ｂｙｔｅ长度的固定数据，每隔７米记录一次ＲＳｓＩ值、ＬＱＩ值和相应的传输误码率．
记录的ＲＳＳＩ数据经过拟合曲线如图３所示．从图３可以看出四个节点的拟合曲线在传输１０ｍ后曲线是平行的，只是曲线之间有一定间距．从理论曲线分析可知，上述拟合曲线的常数Ａ的取值不同，依次递增的顺序为９、３０、４０、１８号节点，而传播因子ｎ是相同的．用频谱仪测试了编号为９、１８、３０、４０号节点的最大发射功率，测试结果如表２所示．
图３不同节点的ＲｓｓＩ值和无线信号传输距离拟合曲线
２５２８
传感技术学报
２００７年
衰２不同节点的发射功率测量
节点编号最大发射功率／ｄＢｍ
测试条件９—１．３节点发射非调制载１８０．５６３０－０．６３波信号直接将射频４０
０．０７
信号引人频谱仪
从表２可知节点发射功率从编号为９、３０、４０、
１８依次增加，这是无线传输单元的元件选择和焊接
工艺的不一致性导致的．节点之间的硬件差异可以通过标准化工业回流焊接工艺来避免．Ａ值也就是距离发射节点一米外的接收信号强度实际测量也是
依上述节点编号依次增加，这与理论分析完全吻合．上述实验证实无线信号接收强度和传播距离之间存
在确定对数关系，虽然不同的节点之间存在差异，但是在实际使用时可以购置统一元器件、使用标准化焊接工艺，使节点尤其是无线部分保持高度一致性．
４环境对ＲＳＳＩ测量影响
无线信号在实际应用中，总会受到很多不稳定因素的干扰，在不同的应用环境中受到干扰也不相同．无线网络节点可用于室内也可用于室外，节点应用的环境总是存在可变的因素，这些可变的因素对节点无线信号的传输存在影响．必须要验证这些因
素影响到底有多大，是否存在规律，能否通过标定和
补偿来消除这些因素对测量的影响．
首先考虑改变节点的放置方向，考察接收数据的无线信号强度变化情况，固定发射节点和接收节点，设置发射节点发射２００帧数据，接收节点将记录每帧数据的无线信号强度，然后将发射节点的位置改变１８０。，重复上述的测量步骤．其次考虑节点周围的物体变动，在实验室内测试时，在发射节点边放了一把椅子．最后要考虑一个人在发射节点边周围走动．后面两种情况也是重复第一种情况下的测试．在上述三种情况下，接收节点记录环境改变的测试数据．将三种情况下的测试数据分别画图如４所示．
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图４在不同干扰条件下的ＲｓＳＩ值变化曲线
图４所示为节点方位改变１８０９后和改变前的ＲＳＳＩ值变化曲线，图４（ａ）所示为节点旁边物体变动前后ＲＳＳＩ值变化曲线；图４（ｂ）为节点周围有无人移动时ＲｓｓＩ值变化曲线．可看到稍许移动节点边的物体对ＲＳＳＩ值测量影响很微弱；改变节点的
方位将整体改变ＲｓＳＩ的值，但是ＲＳＳＩ值变动很
小；有人在节点边移动时，ＲＳＳＩ值变动较大，但是
ＲｓｓＩ整体均值改变较小，这和改变节点方位的影响
正相反．
无线节点系统应用在室外的话，野外的气象条
件变化对无线信号的传输也会产生影响．在野外主
要考虑的气象条件因素是温度和湿度变化，经过实验验证，温度和湿度条件变化对无线信号传输的影响是没有规律的，但影响效果不明显，可以采取均值或前后测量值加权等方法将其影响消除．
从以上理论分析和实验验证结果表明ＲｓＳＩ和无线信号传输距离之间有确定关系，ＲＳＳＩ的测量具有重复性和互换性，在应用环境下ＲＳＳＩ适度的变化有规律可询．在解央好环境因素影响后，ＲＳＳＩ可以进行室内和室外的测距及其定位．
利用ＲＳＳＩ测距时，要避免ＲｓＳＩ的不稳定性，
使Ｒ跚值越精确的体现无线信号的传输距离，通
过设计各种滤波器使ＲＳＳＩ的值平滑．最常用也是较容易实现的两种滤波器形式是平均值和加权滤波器，其中平均值滤波器是最基本的滤波形式，但是它需要收发节点之间进行多次数据传输；加权滤波器
第１ｌ期方震，赵湛等：基于ＲｓｓＩ测距分析
２５２９
只需要两次ＲｓｓＩ测量数据，虽然要求数据少，但是也会保证ＲｓＳＩ值的变化平滑．５
ＲＳＳＩ测距
利用ＲＳＳＩ测距必须知道Ａ值和ｎ值，Ａ值为
无线收发节点相距１ｍ时接收节点接收无线信号
强度值，ｎ值是无线信号的传播因子，这两个值都是
经验值，和具体使用的硬件节点和无线信号传播的环境密切相关，所以测距前必须在应用环境中把两个经验值标定好，标定的准确与否，直接关系到测距定位的精度．
测距实验设置在一片空旷少干扰的草坪上．首先标定Ａ值，天线尽量选择全向天线，在实际应用中全向天线是一个理想的情况，为避免天线的非全向性带来的测量误差，使用如图５所示的节点安置方法，与前面验证实验不同的是节点是放置在地面的，使用了长杆状天线．
图５标定Ａ值时节点放王方式
图５中，Ｒ、Ｐｚ、Ｐｚ、Ｐ３为发射节点，而接收节点放置在圆心处．发射节点依次或者通过竞争机制获取信道，发送５０个数据帧，接收节点将记录信息包对应的ＲｓｓＩ值，图６是接收节点记录的来自四个方向上发送节点的ＲｓＳＩ值对应的曲线．
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图６四个不同方向上节点的ＲｓＳＩ值曲线圈
图６可以看出节点所使用天线并不是理想的全向天线，在其中的一个方向上ＲＳｓＩ值偏低・在其他三个方向上ＲＳＳＩ值比较一致的，图中直线对应的是四
个方向上膦Ｉ的平均值，红色直线在纵轴上的截距
万
方数据为一４５．８，所以实验标定的Ａ值为一４５．８．
标定无线信号传播因子ｎ值时也存在天线全向性问题，为了提高标定精度，实验也采取如图５所示的标定方法．传播因子”值可以通过ＲＳＳＩ与距离的拟合曲线得到，也可以利用论文中提到的理论公式（４）反推得到，实验采用拟合曲线方法得到传播因子”值．
采用如图５所示的节点布置方法来标定，选择四个无线收发性能相同的节点作为发射节点安置在接收节点四周，每隔１．４ｍ（两步）四个发射节点
依次发送５０个数据包给接收节点，接收节点将
２００个数据包转换为相应的ＲｓｓＩ值并求平均值，求得的平均值作为无线收发节点在相应距离下的ＲｓＳＩ值，从零米一直测量到４５ｍ，测试数据经拟合后如图７所示．其数据拟合曲线如公式（５）所示．
ＲＳＳＩ（ｄＢｍ）＝一４６—１３・ｌｎ（ｒ—Ｏ．０２）
（５）
将公式（５）变换可得公式（６）．ＲＳＳＩ（ｄ＆ｎ）一一４６—３．０・ｎ１驴
（６）
图７Ｒｓｓｌ与距离的扭舍曲线
图７所示的拟合曲线的拟合度为ｏ．９６，表明ＲＳＳＩ均值和距离之间存在确定的函数关系，且ＲＳ＿ｓＩ数值较稳定．从拟合曲线可得Ａ值为一４６
ｄＢｍ，
这与实验标定的一４５．８ｄＢｍ相差很小，可以认为两
者是吻合的，传播因子ｎ值为３．仔细分析ＲｓＳＩ值与距离的拟合曲线，可以看到在前１５ｍ以内，ＲｓＳＩ值随距离增加变化较明显．而１５ｍ以后，ＲｓｓＩ值随距离变化不明显，如果测量距离超过１５ｍ的话，则测距的精度得不到保证．所以在此测试环境下，利用ＲＳＳＩ的测距范围尽可能限定在１５ｍ以内，这样测距精度较高．
这是本测试环境对应的参数，如果环境改变的话，Ａ值和传播因子ｎ值都需要重新标定，精确才可测距．利用标定好的ＲｓＳＩ和传输距离的关系，进行
了测距实验，分别利用ＲｓｓＩ单次测量、加权测量、
平均值测量三种模式测距，选取无线信号性能相似
２５３０
传感技术学报
２００７年
的节点做测距实验，每隔５ｍ测量一次，一直测量到３０ｍ图８所示为三种模式测距误差分布图．
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围８三种洲距模式在不同测距距离下的误差分布图
从图８中，可以得到单次ＲＳＳＩ测距误差最大，
测量距离在１５ｍ以内的最大的测距误差为１．９
ｍ，
约为测量距离的１２．７％；而平均值ＲｓｓＩ测距在１５ｍ以内的误差最小，最大的测距误差为１．４ｍ，约为测量距离的９％．测量距离在１５ｍ和３０ｍ之间，单次ＲＳＳＩ测距误差最大为６．８ｍ，约为测量距离的２２．７蹦Ｉ平均值ＲＳＳＩ测距误差最小，最大的测距误
差为１．８ｍ，约为测量距离的１６．７％．加权ＲＳＳＩ测
距精度介于单次ＲＳｓＩ测距和平均值ＲｓＳＩ测距之间．测距范围在１５ｍ以内，三种模式的测量误差最大百分比为１２．７％，测距范围在３０ｍ以内，三种模式的测量误差最大百分比为２２．７％．可见在１５ｍ
以内的测距精度还是可以的，当测量距离增加时，测
距误差明显增加．
从测试结果分析看，平均值ＲＳＳＩ测距误差小，
但是测距过程消耗能量多，对测距精度要求高时，可
以选择平均值ＲｓｓＩ测距．单次ＲｓＳＩ测距误差较大，测距过程消耗能量少，对测距精度要求不高时，
可以选择单次ＲＳｓＩ测距．而加权ＲＳＳＩ测距误差介于上述两者之间，能量消耗也较少，适用与大多数无
线传感器网络定位的测距要求．
６结论
本文对ＲＳＳＩ测距从原理和实验上进行了全面
方震（１９７６一），男，２００７于中国科学院电子所物理电子学专业获博士学位，现就职于中国科学院电子所．主要研究方向无线传感器网络、集成传感器系统
等，铀帆出＠ｇｒ∞ｉＬ∞ｍ
万
方数据分析和论证，证实消除环境影响的因素，ＲｓｓＩ测距
在１５ｍ的近距离测距精度在２ｍ以内，可以满足
太多数无线传感器网络节点定位的需求，但是远距
离的测距误差较大．参考文献：
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ＣｏｎＬ０ｎ
Ａ∞ｕ５ｔｍ，Ｓｐｅｅｃｈ。ａｎｄＳｋｍｌ，ｓＢＩｔＬａｋｅｌ髓ＥＳＩ套ｒ试Ｐｒｏ。曙耐ｎｇＳ０ｃｌ啦。２∞１，４；００３７｛０４晚
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赵湛（１９５８－）。男＋中国科学院电子所研究员．博士．博士生导师，中国电子学会高级会员．发表论文六十余篇，近年申请了发明专利ｌｏ多项．目前主要从事集成传感器、无线传感器网络等领域
的研究，ｚｈａｏｚｈａｎ＠ｎ“１．ｋ犯ｃｎ
基于RSSI测距分析
作者：作者单位：
方震， 赵湛， 郭鹏， 张玉国， FANG Zhen， ZHAO Zhan， GUO Peng， ZHANG Yu-guo方震,赵湛,FANG Zhen,ZHAO Zhan(中国科学院,电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京,100080) ， 郭鹏,张玉国,GUO Peng,ZHANG Yu-guo(中国科学院,电子学研究所传感技术国家重点实验室,北京,100080;中国科学院,研究生院,北京100039)传感技术学报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS2007,20(11)31次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
参考文献(10条)
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26. 张婵爱. 马艳艳. 白凤娥. 王莉莉 基于RSSI的加权质心定位算法的实现[期刊论文]-太原理工大学学报 2009(2)27. 王殿君. 任福君. 兰云峰. 赵丽杰. 姜永成 基于有源射频识别信号强度的室内移动机器人测距方法[期刊论文]-科技导报 2009(15)
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29. 万路军. 姚佩阳. 李明辉 基于TOA的无线传感器网络定位误差GDOP值分析[期刊论文]-传感技术学报 2009(8)30. 赵昭. 陈小惠 无线传感器网络中基于RSSI的改进定位算法[期刊论文]-传感技术学报 2009(3)31. 章坚武. 张璐. 应瑛. 高锋 基于ZigBee的RSSI测距研究[期刊论文]-传感技术学报 2009(2)
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