三边定位算法在OMNet++上的简单实现

2019/12/3高级网络课实验报告，才疏学浅。

一、实验原理：

本次实验目标为使用OMNet++仿真出三边定位算法在移动定位的应用场景，考虑本人学习有限，而在OMNet++中实现无线通信的工作较为复杂，本次实验采用以有线通信代替无线通信的方式进行简单模拟，搭建一个典型的三边定位网络拓扑图，实现基于到达时间TOA（Time of Arrival）的三边定位算法。

典型的TOA三边定位应用场景如下：

在该场景下，移动终端接收来自三个不同方向的不同基站的信号，通过到达时间计算与基站距离，再通过信号中包含的基站位置，通过三边定位算法估测自身位置。

Trilateration（三边测量）是一种常用的定位算法：

1. 已知三点位置 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3)
2. 已知未知点 (x0, y0) 到三点距离 d1, d2, d3

以 d1, d2, d3 为半径作三个圆，根据毕达哥拉斯定理，得出交点即未知点的位置计算公式：

( x1 - x0 )2 + ( y1 - y0 )2 = d12

( x2 - x0 )2 + ( y2 - y0 )2 = d22

( x3 - x0 )2 + ( y3 - y0 )2 = d32

   三边定位的算法原理图如下：

可以看出，在获取到临近三个基站的位置坐标与其相对于终端自身的距离后，即可通过三边定位算法估测自身位置坐标，本次实验搭建的网络拓扑图如下：

其中t1、t2作为终端节点，分别接收来自附近三个基站节点的消息，其中包含了基站名称、基站位置、发送时间，消息发送速率；终端节点处理并存储节点中的位置参考信息，对于来自同一个基站节点的信息采取覆盖存储，直到收到三个不同节点的参考信息，将三个参考数据输入三边定位算法接口，计算自身位置并向服务器节点发送报告信息，随后清空参考信息再次等待定位，实验实现了上述仿真定位方法，最终得到了不错的定位效果。

二、平台基本操作

  本实验使用OMNeT++ 5.5.1作为仿真平台，主要学习内容为：《OMNet++网络仿真》、B站“通信系统综合实验“系列视频，若干CSDN博客。

1. OMNeT++ 5.5.1安装

1. 官网下载Windows安装包。

1. 启动mingwenv.cmd控制台，依次输入./configure、make,创建仿真库。

1. 输入omnetpp，启动客户端。

1. 客户端基本操作：打开仿真视图

1. 客户端基本操作：新建工程

1. 客户端基本操作：新建文件

5、客户端基本操作：运行仿真程序

 

三、关键代码

实验工程目录如下：

3.1 网络描述文件lbs.ned

   节点和网络定义如下图：

以实验目标出发，所有节点以简单模块实现，只定义必要接口，由于信道模块chanel中不包含信道长度一值，不提供读取节点距离的接口，故在网络内部自定义专属信道，添加距离参数，统一合适的速度，由距离计算时延，而距离直接根据节点坐标计算，这样做的优点为简单粗暴，缺点也很明显：信道不复用、添加和移动节点都需要再次计算。

3.2  基站向终端发送的位置参考消息定义lbsMsg.msg

       仅包含定位所需参数：源基站名、基站坐标、发送时间、传送速度（默认为1）。

3.3  终端像服务器发送的定位结果报告消息定义reportMsg.msg

       仅包含基站名称和定位结果。

3.4  终端解析的位置参考信息结构定义lsbRef.cpp

       存储位置参考消息的来源坐标、发送和到达时间、发送速率，在构造函数中调用内置函数，通过TOA方法计算此消息来源的相对距离，对外提供getter接口。

3.5  基站节点功能定义baseStation.cpp

初始化函数initialize()确定一个随机值作为发送时间，调用generateNewMessage()函数，产生定位参考消息lbsMsg，其中包含了节点名称、发送时间，并从ned文件确定的DisplayString中解析出本节点坐标，根据定时值发送。

3.6  终端节点功能定义terminal.cpp

handleMessage接收来自基站节点的消息，解析为lbsMsg类型，输出此定位参考消息的源节点名称和位置、时间信息，调用processMessage()处理。

后者将lbsMsg中的位置参考信息处理并存储在一个lbsRef对象中，由map键值对references保存该对象，references将消息来源节点名称作为key，对应的lbsRef对象作为value，保证了存储中的参考信息来自不同基站，同一基站的值将被覆盖。

当references中的参考信息到达3时，调用lbsFun函数，通过三边定位算法推测自身的位置，随后清空references，将结果输出，并向服务器节点发送位置报告消息reportMsg。

LbsFun函数调用Decawave公司的开源代码实现三边定位，代码参考于：https://blog.csdn.net/qq_40671789/article/details/97003271

由于定位算法实现不是本次网络实验的重点，在此不做介绍。

3.7  服务器节点功能定义server.cpp

对来自终端节点的reportMsg做解析并输出，功能比较单一。

四、实验结果分析

由上图可以看出，仿真程序成功地达到了实验目标，对于终端节点t1，定位算法输出结果为：195.214，155.531，而t1的真实坐标为：190，160；对于终端节点t2,定位算法输出结果为：640，185，而t2的真实坐标为640，185；由于消息发送无损耗、时延等干扰，三边定位算法准确性较高。

实验总结：本实验在OMNet++仿真平台上，通过用有线通信代替无线通信的方式，复现了三边定位算法的应用场景，但由于本人学习水平不够，项目实现的层次太低，具有很大的局限性，有待于对OMNet++平台和mixim等仿真框架的进一步学习。