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協(xié)同定位LS模型的凸性分析

倩倩 ? 來(lái)源:現(xiàn)代電子技術(shù) ? 作者:現(xiàn)代電子技術(shù) ? 2022-09-22 15:51 ? 次閱讀

摘 要:精確的位置信息在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中扮演著重要地位,基于用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間信息交互的協(xié)同定位可以提供高精度定位,是目前非常有前景的研究方向。傳統(tǒng)的協(xié)同定位模型,例如最小二乘(LS)模型,依賴(lài)于從先驗(yàn)測(cè)量信息中得到粗略的位置估計(jì)作為迭代初值。由于代價(jià)函數(shù)一般為非凸,該模型對(duì)迭代初值的選取十分敏感,計(jì)算結(jié)果容易陷入局部極值。為了深入解釋這一現(xiàn)象,文中通過(guò)求取最小二乘代價(jià)函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù),同時(shí)對(duì)相應(yīng)的 Hessian 矩陣進(jìn)行相似變換,分析了最小二乘代價(jià)函數(shù)的凸性,得出最小二乘代價(jià)函數(shù)為凸的一個(gè)充分不必要條件。同時(shí)利用數(shù)值仿真驗(yàn)證了當(dāng)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)測(cè)距偏差全部為負(fù)數(shù)時(shí),最小二乘代價(jià)函數(shù)在全局范圍內(nèi)為凸函數(shù),這一結(jié)論為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

0 引 言

實(shí)時(shí)高精度位置感知在無(wú)人機(jī)技術(shù)、醫(yī)療服務(wù)、搜索救援、智能圖書(shū)館、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1?3]。近年來(lái),作為傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensor Networks,WSNs)定位方法的補(bǔ)充,協(xié)同定位受到越來(lái)越多的關(guān)注。所謂的協(xié)同定位是指多用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同,與傳統(tǒng)定位方法相比,該方法增加了用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間的幾何測(cè)量與通信。協(xié)同定位算法有很多,基于到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival,TOA)的極大似然估計(jì)模型是應(yīng)用最為廣泛的定位模型之一,當(dāng)測(cè)距誤差服從高斯分布 時(shí) ,極 大 似 然 模型與最小二乘估計(jì)模型(LeastSquare,LS)等價(jià)[4]。為了求得該模型的最優(yōu)解,比較常見(jiàn)的算法為牛頓迭代法或高斯?牛頓迭代法。文獻(xiàn)[5]給出了這兩種算法的收斂性證明,指出收斂性與代價(jià)函數(shù)的凸性緊密相關(guān),當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為嚴(yán)格凸時(shí)(Hessian矩陣正定),由牛頓算法解算LS模型為強(qiáng)整體二階收斂。

劃分一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題難易程度的分水嶺在于其代價(jià)函數(shù)是凸或者非凸[6],而 LS 定位模型的代價(jià)函數(shù)一般為非凸,因此求解LS定位模型代價(jià)函數(shù)的全局最優(yōu)解是困難的,屬于NP難問(wèn)題,目前已有相關(guān)研究嘗試對(duì)這一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解決。文獻(xiàn)[7?8]對(duì)單用戶(hù)定位場(chǎng)景下的LS 模型進(jìn)行了深入分析,提出了代價(jià)函數(shù)滿(mǎn)足全局為凸的條件。LS模型基于最小方差準(zhǔn)則(這一準(zhǔn)則也是其他定位模型的基礎(chǔ)),例如極大似然、加權(quán)最小二乘、遞推最小二乘等。與此同時(shí),相比遞推最小二乘,卡爾曼濾波(Kalman Filtering,KF)模型相當(dāng)于在兩次迭代之間多了狀態(tài)轉(zhuǎn)移步驟,其核心也是通過(guò)最小化方差求得最優(yōu)估計(jì)[9]。因此,對(duì)LS定位模型的凸性進(jìn)行分析具有一定的代表性,其相關(guān)結(jié)論可以通過(guò)最小方差準(zhǔn)則推廣到其他定位模型。

在協(xié)同場(chǎng)景中,當(dāng)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多時(shí),函數(shù)的局部極值點(diǎn)增多,使得迭代算法對(duì)初值更加敏感并導(dǎo)致算法不收斂。本文將對(duì)協(xié)同定位LS模型的凸性進(jìn)行分析,以深入解釋這一現(xiàn)象。

1 無(wú)約束最小二乘定位模型

1.1 節(jié)點(diǎn)與鏈路定義

在基于TOA方法的定位場(chǎng)景中,設(shè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為M,用Fc={T1 , T2 ,?, TM}表示其編號(hào)的集合,用戶(hù)節(jié)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)為xj∈Rη,1≤j≤M,j∈N+,η∈N+為定位場(chǎng)景歐幾里得空間維度。錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N,其編號(hào)的集合為Fa={A1,A2,?,AN},錨節(jié)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)為si ∈Rη,1≤i≤N ,i∈N+。設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的集合記為Ft,則Ft =Fa?Fc。在定位場(chǎng)景中,定義任意兩點(diǎn)之間的距離觀測(cè)為一條測(cè)距鏈路,假設(shè)某個(gè)場(chǎng)景中共有 L 條測(cè)距鏈路,記各個(gè)鏈路編號(hào)的集合為L(zhǎng)={l1 , l2 ,?, lL}。定位場(chǎng)景中的測(cè)距鏈路可以分為兩類(lèi):一類(lèi)為用戶(hù)與錨節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)距鏈路(以下簡(jiǎn)記為 AT 鏈路);另一類(lèi)為協(xié)同測(cè)距鏈路(以下簡(jiǎn)記為 TT 鏈路)。設(shè)所有鏈路距離觀測(cè)值的集合記為 Dt,其中 AT鏈路距離觀測(cè)值的集合記為 Da,TT鏈路距離觀測(cè)值集合記為Dc,易知Dt=Da?Dc,Da?Dc=?,并且有|Dt=L|,|Da=N|,|Dc= L - N|。令dK1K2是節(jié)點(diǎn)編號(hào) K1到 K2點(diǎn)的真實(shí)距離,dK1K2為兩點(diǎn)之間距離的估計(jì)值,其中 K1 ,K2 ∈ Ft。

1.2 測(cè)距偏差定義

由于信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到觀測(cè)噪聲、多徑效應(yīng)以及非視距(Non?Line of Sight,NLOS)傳播的影響,觀測(cè)值不等于節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離,存在測(cè)距偏差。設(shè)偏差向量為ε=[ε1,ε2,?,εL]T∈RL,其中εi表示第i條鏈路上的測(cè)距偏差。在視距(Line of Sight,LOS)傳播環(huán)境中,測(cè)距偏差完全由觀測(cè)噪聲引起,其通常滿(mǎn)足均值為零、方差為常數(shù)的高斯分布,用εLOS表示。在NLOS環(huán)境中,除了噪聲以外還存在一個(gè)正偏差,假設(shè)此正偏差滿(mǎn)足均值和方差都為常數(shù)的高斯分布,用εNLOS表示?;谝陨霞僭O(shè),可以對(duì)測(cè)距偏差建模如下:

4e434bba-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

式中:4e68499c-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

1.3 最小二乘模型定義

在非協(xié)同定位場(chǎng)景中,假設(shè)有M個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn),且任意兩個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間無(wú)測(cè)距和數(shù)據(jù)交互??紤]某一用戶(hù)節(jié)點(diǎn)Tj,其位置的真實(shí)值為xj,令xj表示Tj節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的估計(jì)值,則有:

4e861ac6-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

式中2表示兩點(diǎn)之間的歐幾里得距離。

若測(cè)距鏈路個(gè)數(shù)為N,分別記為l1 , l2 ,?, lN,令與之相對(duì)應(yīng)的距離真實(shí)值與估計(jì)值分別為di和di,且有:

4e9ecc06-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

式中:1≤i≤N, i∈N+;qja是與節(jié)點(diǎn)Ti 相連接的鏈路個(gè)數(shù)。設(shè)距離觀測(cè)值為ρi∈Da , 1≤i≤N, i∈N+,如果考慮偏差的存在,由定義可知,距離觀測(cè)值與真實(shí)距離之間的關(guān)系為:

4ec192c2-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

那么非協(xié)同場(chǎng)景中無(wú)約束LS估計(jì)模型可以表示成如下形式:

4edb4ad2-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

在非協(xié)同場(chǎng)景中,設(shè)Tj節(jié)點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)和坐標(biāo)估計(jì)值分別為xj和xj,那么有:

4efd85a2-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

設(shè)測(cè)距鏈路有L條,分別記為l1 , l2 ,?,lN,與之相對(duì)應(yīng)的距離真實(shí)值與估計(jì)值分別記為di和di 。若1≤i≤N,li為AT鏈路,按照式(3)對(duì)di和di 進(jìn)行賦值。若N《i≤L,li為T(mén)T鏈路,按照式(7)進(jìn)行賦值:

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式中:qjc是鏈路端點(diǎn)為T(mén)j Tk且滿(mǎn)足k》j的TT鏈路個(gè)數(shù),Tk∈Uj,k》j,j≥2,Uj為與Tj之間存在測(cè)距鏈路的用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的集合,其元素下標(biāo)按由小到大的順序進(jìn)行排列。令Tk為 Uj中第g個(gè)元素,且 g的值按照式(8)進(jìn)行計(jì)算:

4f4eac52-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

設(shè)ρi∈Dt, 1≤i≤L, i∈N+ 為距離觀測(cè)值,其與真實(shí)距離之間的關(guān)系滿(mǎn)足式(4)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建協(xié)同場(chǎng)景無(wú)約束LS模型為:

4f6a809e-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

在本文中統(tǒng)一稱(chēng)Fs和Fc為L(zhǎng)S定位代價(jià)函數(shù)并且將其記為F。

2 模型的非凸性分析

2.1 非協(xié)同定位場(chǎng)景分析

為了便于分析且不失一般性,本文選取η=2。由凸分析相關(guān)理論可知,函數(shù)的凸性與其Hessian矩陣密切相關(guān),并且有如下定理成立:

定理1[6]:函數(shù)為凸的二階條件。假設(shè)x的函數(shù)f二階可微,定義域domf為凸集且Hessian矩陣存在,則函數(shù)在domf中為凸的充要條件為:對(duì)于?x∈domf,其Hessian矩陣為半正定矩陣。

首先求取代價(jià)函數(shù)Fs的梯度(一階微分)和Hessian矩陣(二階微分),計(jì)算結(jié)果分別如下:

4f8a8380-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

運(yùn)用定理1可以得出以下推論:推論1:當(dāng)LS代價(jià)函數(shù)的dom Fs為R2時(shí),其定義域?yàn)橥辜?。?2x1?0,設(shè)滿(mǎn)足此條件的所有x1的集合為A,則當(dāng)x1∈A時(shí),F(xiàn)s為凸函數(shù)。

上述推論給出了LS代價(jià)函數(shù)為凸的一個(gè)充分必要條件。?2x1為實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣,關(guān)于實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣有以下兩個(gè)引理成立:

引理 1[10]:實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣的特征值均為實(shí)數(shù)。

引理 2[10]:實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣是半正定矩陣的充要條件為其所有特征值非負(fù)。

由引理2可知,對(duì)?2x1半正定的判斷可以轉(zhuǎn)化為對(duì)其特征值正負(fù)的判斷。設(shè)J=?2x1,J∈R2 × 2,令Jij 為J 中各個(gè)元素,設(shè)J的特征值為λ,其特征多項(xiàng)式為:

4fb5f59c-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

令G=0,可以得到特征多項(xiàng)式方程為:

4fd27492-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

式(13)為一元二次方程,由引理1可知,此方程必存在2個(gè)實(shí)根,即根的判別式Δ≥0恒成立,函數(shù)2個(gè)非負(fù)實(shí)根的充分必要條件為:

4ff87e8a-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

推論2:所有滿(mǎn)足不等式組(14)條件的x1的集合為A。

推論2是LS代價(jià)函數(shù)為凸的一個(gè)等價(jià)條件。然而,由于不等式組(14)的非線(xiàn)性特征,使得對(duì)該不等式組分析變得比較困難。下面將針對(duì)一類(lèi)特殊的情況進(jìn)行討論,并且作出簡(jiǎn)要證明。

命題1:存在一個(gè)集合C,若該集合中所有估計(jì)值x1均滿(mǎn)足di-ρi ≥ 0,則在此集合中最小二乘代價(jià)函數(shù)Fs為凸,且滿(mǎn)足C?A。

引理3:有限個(gè)半正定矩陣的和仍為半正定矩陣。即若Ri?0, 1≤i≤N, i∈N+,則有W=∑i=1N,Ri ? 0。

考慮對(duì)J進(jìn)行分解,并且令J =∑i =1NQi

其中:

50533dac-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

對(duì)Qi求特征值,令:

50805404-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

化簡(jiǎn)得:

50964516-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

因式分解可求得λ的2個(gè)根分別為:

50cba6ca-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

從式(18)中可以看出,矩陣Qi有2個(gè)特征向量,其中λ1》0 恒成立,所以當(dāng)λ2=di-ρi ≥0時(shí),Qi ?0。由引理3易知,當(dāng)di-ρi≥0, 1≤i≤N, i∈N+ 成立時(shí),J?0。所有滿(mǎn)足此條件的估計(jì)值x1的集合即為C。

命題1實(shí)際上是Fs局部為凸的一個(gè)充分不必要條件,F(xiàn)s的非凸區(qū)間會(huì)隨著εi 的增大而減小,且當(dāng)滿(mǎn)足εi》0的測(cè)距鏈路數(shù)量增多時(shí),F(xiàn)s的非凸性也會(huì)增強(qiáng)。

2.2 協(xié)同定位場(chǎng)景分析

在協(xié)同場(chǎng)景中,測(cè)距鏈路由AT鏈路和TT鏈路兩部分組成。受引理3的啟發(fā),將Fc的 Hessian矩陣J分解為若干個(gè)子矩陣Qi,每一個(gè)Qi 實(shí)際上是一個(gè)與估計(jì)值相關(guān)的函數(shù)f(di)=(di-ρi2),子矩陣中的各個(gè)元素為f(di)對(duì)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的二階偏導(dǎo)。在2.1節(jié)中,證明了當(dāng)li為AT鏈路時(shí)滿(mǎn)足命題1,接下來(lái)說(shuō)明當(dāng)li為T(mén)T鏈路也具有類(lèi)似于命題1的性質(zhì)。為了便于分析,選取協(xié)同場(chǎng)景中的某一條TT鏈路lk,記此鏈路兩端的用戶(hù)節(jié)點(diǎn)為T(mén)m,Tn。其估計(jì)值分別為(xm,ym),(xn,yn),測(cè)距觀測(cè)值為ρk,此時(shí)LS代價(jià)函數(shù)為:

50e9ff80-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

分別對(duì)xm,xn,ym,yn求偏導(dǎo),可得梯度向量(一階微分)為:

51029a7c-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

則Hessian矩陣為:

511c659c-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

求取J 的特征值,通過(guò)計(jì)算可以求得其特征多項(xiàng)式為:

5135bd44-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

可以解得其4個(gè)特征值分別為:

514799ec-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

由式(23)可知,當(dāng)dk-ρk≥0時(shí),J?0。接下來(lái)做進(jìn)一步地推廣,證明當(dāng)LS代價(jià)函數(shù)中同時(shí)具有兩種測(cè)距鏈路時(shí),這一性質(zhì)仍然不變。

設(shè)協(xié)同場(chǎng)景中有M個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn),記Fc的Hessian矩陣為J ,易知J∈R2M×2M 。對(duì)J進(jìn) 行分解,并且令J=∑i=1LQi。其中,Qi 為每一個(gè)測(cè)距鏈路對(duì)應(yīng)的Hessian矩陣。

引理4[11]:相似矩陣具有相同的特征值。

若測(cè)距鏈路位于錨節(jié)點(diǎn)與待定位節(jié)點(diǎn)之間,則Qi的元素位于對(duì)角線(xiàn)和與之相鄰的位置上,且元素的個(gè)數(shù)為4,將 Qi 中的4個(gè)元素全部平移至左上角。設(shè)變換后的矩陣為Qi′,易知 Qi 與 Q i′ 為相似矩陣。由引理4可知Qi 與Qi′具有相同的特征值。設(shè)Gi′=λI-Qi′,為了求取G ′的特征值,對(duì)G ′作如下分塊:

51730622-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

式中:519150c8-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png51ae0178-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png中第k行l(wèi)列元素。

由分塊矩陣行列式定理可知[11]:

51d41e30-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

令|Gi′|=0,由非協(xié)同場(chǎng)景分析可知,|G11|=0的2個(gè)解分別為λ=1和λ=di-ρidi,|Gi′| 0的剩余(2M-2)個(gè)解均為 0。因此,當(dāng)di -ρi≥0時(shí),Qi?0。

若測(cè)距鏈路位于兩個(gè)待定位節(jié)點(diǎn)之間,易知Qi 中的元素個(gè)數(shù)為16個(gè),將其中各個(gè)元素全部平移至左上角,將其記為Qi′,設(shè)Gi′=λI-Qi′。同樣地,對(duì)Gi′進(jìn)行分塊:

5200c2be-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

式中:

5220465c-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

52446992-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

gkl為Gi′中第k行l(wèi)列元素。

由分塊矩陣行列式定理可知:

5264ed66-3a49-11ed-9e49-dac502259ad0.png

令|Gi |=0。由協(xié)同鏈路分析可知,|G11|的特征值有4個(gè),分別為λ1=λ2=0,λ3=4以及 λ4=4di-ρidi,|Gk′|=0 剩余(2M-4)個(gè)解均為0。因此,當(dāng)di-ρi≥0時(shí),Qi?0。

命題1指出,在滿(mǎn)足di-ρi≥0這一條件時(shí),總可以找到合適的區(qū)間,在區(qū)間中LS代價(jià)函F為凸。

命題2:對(duì)于?i , 若di-ρi≥0在x?=[x1,x2,?, xM ]T∈R2M上恒成立,則F在R2M上為凸函數(shù)。

命題2是LS代價(jià)函數(shù)全局為凸的一個(gè)充分不必要條件。在實(shí)際場(chǎng)景中,當(dāng)測(cè)距偏差大于 0時(shí),距離觀測(cè)值ρi為正,在此情況下不滿(mǎn)足全局為凸的條件,若εi≤-di,則ρi≤0,此時(shí)di-ρi≥0恒成立,F(xiàn)s在全局范圍內(nèi)為凸。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真場(chǎng)景設(shè)定

在二維平面內(nèi)建立笛卡爾坐標(biāo)系,表1給出了非協(xié)同與協(xié)同場(chǎng)景各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。本節(jié)將對(duì)三種偏差環(huán)境進(jìn)行仿真,分別為NLOS環(huán)境、LOS環(huán)境以及測(cè)距偏差為負(fù)的情形。每一個(gè)場(chǎng)景在各種情況下的偏差大小如表2和表3所示。

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3.2 凸性驗(yàn)證

首先對(duì)Fs作全局仿真??紤]測(cè)距誤差不同的情況下代價(jià)函數(shù)Fs的凸性,作出其函數(shù)圖像、Hessian矩陣J的正定圖像以及選取不同初值的迭代情況,仿真結(jié)果如圖1~圖3所示。

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圖1分別顯示了NLOS環(huán)境、LOS環(huán)境以及測(cè)距偏差為負(fù)的環(huán)境下LS代價(jià)函數(shù)圖像。

圖2分別顯示了二維平面中各個(gè)點(diǎn)Hessian矩陣J的半正定情況,其中紅色部分表示J?0,藍(lán)色部分表示J?0,綠色部分表示不定。

由定理1可知,當(dāng)J為半正定時(shí),函數(shù)為凸。從圖2a)中可以看出,當(dāng)定位環(huán)境為 NLOS 環(huán)境時(shí),J的半正定區(qū)域不連續(xù),不定與半負(fù)定面積總和較大,當(dāng)定位環(huán)境為L(zhǎng)OS環(huán)境時(shí),J的半正定區(qū)域連續(xù),不定與半負(fù)定面積總和較小。由命題2可知,當(dāng)存在正的測(cè)距誤差時(shí),則代價(jià)函數(shù) Fs 在全局范圍內(nèi)為非凸,因此在上述的兩個(gè)定位環(huán)境中,F(xiàn)s 在全局范圍內(nèi)均為非凸,如圖1a)和圖1b)所示。當(dāng)測(cè)距誤差為負(fù)且絕對(duì)值較大時(shí),滿(mǎn)足命題2中代價(jià)函數(shù) Fs 為凸的全局條件,如圖1c)和圖2c)所示,由J 的半正定性和Fs函數(shù)圖像可以看出,J在全局范圍內(nèi)半正定且 Fs在全局范圍內(nèi)為凸函數(shù)。

為了說(shuō)明初值選取對(duì)迭代結(jié)果的影響,從各個(gè)方向選取不同的初值,用高斯?牛頓迭代法進(jìn)行位置解算。解算結(jié)果如圖3所示,其中虛線(xiàn)構(gòu)成的圓表示測(cè)距半徑為負(fù),其大小為距離觀測(cè)值的絕對(duì)值。從仿真結(jié)果可知,在NLOS環(huán)境中,LS代價(jià)函數(shù)Fs為非凸函數(shù),存在多個(gè)極值點(diǎn),當(dāng)初始值不同時(shí)迭代算法會(huì)收斂到不同的極小值點(diǎn);在LOS環(huán)境中測(cè)距偏差較小,LS代價(jià)函數(shù)在全局范圍內(nèi)為非凸,但其極值點(diǎn)個(gè)數(shù)并沒(méi)有增加,在這種情況下迭代算法會(huì)收斂于同一個(gè)位置,說(shuō)明LS模型在LOS場(chǎng)景中適用;在偏差為負(fù)的場(chǎng)景中,迭代結(jié)果與初始位置無(wú)關(guān),驗(yàn)證了在此情況下Fs具有全局收斂的特性。

在協(xié)同場(chǎng)景中,選取不同的初值,利用高斯?牛頓迭代算法解算用戶(hù)位置,仿真結(jié)果分別如圖4所示。在NLOS定位環(huán)境中,由于存在較大的正測(cè)距誤差,使得Fc在全局范圍內(nèi)非凸并且導(dǎo)致產(chǎn)生了多個(gè)極值點(diǎn),因此不同的初始值會(huì)導(dǎo)致算法迭代收斂到不同的極值點(diǎn)上;在LOS定位環(huán)境中,F(xiàn)c在全局范圍內(nèi)為非凸,但正測(cè)距偏差較小,因此仍然可以收斂到相同的極值點(diǎn)上;在測(cè)距偏差為負(fù)的情況下,F(xiàn)c在全局范圍內(nèi)為凸,因此無(wú)論初值如何選取,其必然會(huì)收斂到全局最優(yōu)解。此結(jié)果較好地驗(yàn)證了命題2的正確性。

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4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)協(xié)同定位無(wú)約束LS定位模型進(jìn)行了凸性分析。通過(guò)對(duì)代價(jià)函數(shù)的 Hessian矩陣的分析,得出了無(wú)約束LS代價(jià)函數(shù)的一個(gè)充分不必要條件,該條件指出,當(dāng)測(cè)距偏差全部為負(fù)時(shí),無(wú)約束LS定位代價(jià)函數(shù)全局為凸。在此基礎(chǔ)上,分別對(duì)NLOS環(huán)境、LOS環(huán)境以及測(cè)距偏差為負(fù)環(huán)境下的LS代價(jià)函數(shù)凸性進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了該命題的正確性。除此以外,本文提出影響最小二乘代價(jià)函數(shù)非凸性的主要因素為正測(cè)距偏差,為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:論文速覽 | 協(xié)同定位最小二乘凸性分析

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