專利名稱：一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，尤其涉及一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定 位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,簡稱WSN)作為一種全新的信息獲取和 處理技術(shù)，其應(yīng)用越來越廣泛。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)情況下只有掌握了傳感器節(jié) 點的位置信息，節(jié)點采集的數(shù)據(jù)才具有實際應(yīng)用價值。現(xiàn)有定位技術(shù)中， 一般利用無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中少量己知位置的節(jié)點來獲得其他未知位置節(jié)點的位置信息；上述已知位置的節(jié) 點稱為錨節(jié)點，未知位置的節(jié)點稱為未知節(jié)點或待測節(jié)點。定位目標就是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中部分 位置己知的節(jié)點(錨節(jié)點)來估計其余節(jié)點(未知節(jié)點)的位置。
現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身定位方法主要有兩種即基于測距技術(shù)的定位方法和無
需測距的定位方法?；跍y距技術(shù)的定位方法通過測量節(jié)點間點到點的距離或角度信息計
算出待測節(jié)點的位置，上述方法的精度較高，但對節(jié)點的硬件也提出了很高的要求，并且
通常需要多次測量，循環(huán)求精，在獲得相對精確的定位結(jié)果的同時會產(chǎn)生大量計算和通信
開銷，所以，這種方法雖然定位精度較高，但不適用于低功耗，低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。
無需測距的定位方法無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性和己知位置的錨節(jié)點等
信息就能實現(xiàn)相對精確的定位功能，但是無需測距的定位方法的精度和收斂速度一定程度
上依賴于網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離估計的精度，而且當傳感器網(wǎng)絡(luò)各向異性或拓撲結(jié)構(gòu)比較復雜
時算法的性能將明顯變差。
近年來開發(fā)出的各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法與機制，所采用的網(wǎng)絡(luò)場景通常分為連
續(xù)和離散兩種模型。其中離散模型方法便于規(guī)范建模及統(tǒng)計分析，降低算法復雜度。大部 分基于離散網(wǎng)絡(luò)模型的定位方法，對錨節(jié)點射頻通信距離內(nèi)的未知節(jié)點進行定位，能夠逼 近節(jié)點的真實位置，但缺點是定位精度及算法覆蓋度不高，對錨節(jié)點的密度及分布有很嚴
格的要求；同時還極易受誤差傳播以及噪聲對測距的影響，算法穩(wěn)定性不高。相繼出現(xiàn)的 其他同類方法，也沒有能夠有效提高制約算法應(yīng)用的精確度及覆蓋率，所以研究如何解決 這兩個問題是必須的和必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有的定位技術(shù)提供一種定位精度高，不易受 環(huán)境因素影響，且成本低的無需測距的一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為采用離散化的定位網(wǎng)絡(luò)模型，該無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中部屬一部分位置確定的錨節(jié)點作為參考節(jié)點。錨節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中廣播三種不同 強度的信標信號，未知節(jié)點根據(jù)自身接收到的信標信息，判斷自身所處的通信環(huán)帶。最終 以多個錨節(jié)點的通信環(huán)帶對待測節(jié)點位置形成的約束，取重疊區(qū)域的中心，作為未知節(jié)點 位置的最終估計值。
本發(fā)明的具體內(nèi)容為在正方形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中，隨機分布的W個節(jié)點 中有尺個錨節(jié)點。錨節(jié)點按照不同強度發(fā)射信標信號，廣播其位置信息給整個網(wǎng)絡(luò)，在其 射頻半徑通信范圍內(nèi)的節(jié)點能接收到該廣播信號。在離散網(wǎng)絡(luò)模型中的通信環(huán)帶
(Cincture)，將約束節(jié)點位置的錨節(jié)點數(shù)目縮小到其三跳通信范圍內(nèi)，進而對多個未知節(jié) 點進行分布式的定位，有效提高定位準確度和定位覆蓋率，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功耗。
本發(fā)明的方法步驟如下1)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)模型離散化，節(jié)點的傳播
距離以及節(jié)點之間的距離都表示為離散單元形式，圓形通信范圍轉(zhuǎn)化為正方形范圍；2) 網(wǎng)絡(luò)中的每個錨節(jié)點獲取自己的位置信息；3)每個錨節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中廣播信標信號，發(fā)送 強度分三種，信標信號中包括該錨節(jié)點的位置信息和ID; 4)在錨節(jié)點的三種不同強度的 射頻信標范圍內(nèi)的未知節(jié)點，接收到信標信號；5)未知節(jié)點根據(jù)信標信號的信息，確認 自身處于該錨節(jié)點的哪一個射頻通信環(huán)帶內(nèi)；6)根據(jù)更多其他錨節(jié)點對該未知節(jié)點形成 的環(huán)帶約束條件，確定所有約束區(qū)域的重疊區(qū)，作為節(jié)點可能所處的位置；7)取重疊區(qū) 域的中心，作為未知節(jié)點的最終估計位置。
該步驟1中的網(wǎng)絡(luò)模型離散化，意味著網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型的簡化與理想化，同時在后續(xù) 定位估計階段可以借助概率論和離散數(shù)學、統(tǒng)計學等知識，簡化計算量。
該步驟2和3具體為.錨節(jié)點預先獲取自身位置信息，作為網(wǎng)絡(luò)中其他大量未知節(jié)點 定位估計的參考節(jié)點，錨節(jié)點向其鄰居節(jié)點廣播包含其位置信息和自身ID的信標信息數(shù) 據(jù)包，錨節(jié)點采取三種不同的強度發(fā)送信標信號，從而每種強度之間都形成一個通信環(huán)帶， 這符合現(xiàn)實應(yīng)用中錨節(jié)點比普通節(jié)點功能更強大結(jié)構(gòu)更復雜的情況，而且也縮小了通信范 圍的不確定性，對于提高定位精度起到關(guān)鍵作用。
該步驟4和5具體為接收到信標信息后，未知節(jié)點得知自己位于哪一個錨節(jié)點的范
圍內(nèi)，以及位于何種強度的環(huán)帶內(nèi)。該步驟6和7具體為未知節(jié)點同時接收到多個信標信號，判斷出這些信標信號形成 的環(huán)帶的重疊區(qū)域，可以肯定未知節(jié)點的真實位置一定處在該重疊區(qū)域內(nèi)，從而以重疊區(qū) 域的中心作為未知節(jié)點的估計位置。
本發(fā)明提出的定位機制延伸了約束節(jié)點位置的通信距離，擴展了算法的覆蓋范圍，降 低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功耗。當通信距離較大時，算法對于錨節(jié)點密度的要求基本不變。更加符合 復雜傳感器網(wǎng)絡(luò)對健壯性和穩(wěn)定性的要求。


圖1為本發(fā)明/7=2時的基于三跳環(huán)帶的離散定位網(wǎng)絡(luò)模型。
具體實施例方式
本發(fā)明所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法通過以下歩驟實現(xiàn)。
1、 首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進行離散化，如圖1所示。假定"為偶數(shù)，將g分解 成(w + l)2個正方形單元格(cell) , g-[-"/2,"/2]x[-"/2，"/2]。節(jié)點位置用其所處單元
格的坐標(/,力表示，-w/2S/，7、"/2。錨節(jié)點的射頻信號發(fā)射釆用p、 2p、 3 等三種不
同的通信距離，相應(yīng)的一跳、二跳、三跳通信范圍是以該節(jié)點為中心，邊長分別為2p + l、
4/ + 1、 6p + l的正方形。規(guī)定0</7^"/8。
2、 設(shè)節(jié)點S坐標為(jc,力，它的一跳、二跳、三跳通信環(huán)帶(Cincture)分別為
<formula>formula see original document page 5</formula>
3、 當討論距離Q邊界至少/7的區(qū)域gp-C(t;內(nèi)的未知節(jié)點。錨節(jié)點對整個網(wǎng)絡(luò)廣播 攜帶自身位置的三種強度的信標信號。假定某個未知節(jié)點S接收到的三種來自于不同 錨節(jié)點的信標信號的數(shù)量分別為附,、w2、附3，則這些信號的發(fā)送錨節(jié)點Sn，…，Slm|、
S21， ...， s2mi、 S31， ...， S、就形成了對S位置的線性約束。
4、 如果m,、m2和m3不全為0，約束S位置的錨節(jié)點全都位于C3SP之內(nèi)；
5、 如果m1,m2和m3全為0，則需要考慮所有錨節(jié)點形成的約束，這樣估計出來的
區(qū)域通常很大，可認為由于該節(jié)點周圍錨節(jié)點過于稀疏導致無法定位。
6、令/s,、 /S2、 /^分別代表S的一跳、二跳、三跳環(huán)帶內(nèi)的錨節(jié)點通信范圍交集。
<formula>formula see original document page 6</formula>
7、 ^表示S所有可能位置的集合，則
<formula>formula see original document page 6</formula>
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于錨節(jié)點采取三種不同強度發(fā)送信標信號，減少 了不必要的能量消耗以及不同錨節(jié)點信標之間的干擾；未知節(jié)點根據(jù)其接收到的錨節(jié)點信 標信號，判斷出發(fā)送的信號強度以及錨節(jié)點ID，進而確定自身的位置估計，多個錨節(jié)點形 成的通信環(huán)帶降低了估計位置的不確定性，減小了其分布的可能區(qū)域，能有效減少定位誤 差，提高定位精度。
權(quán)利要求
1、一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于方法步驟如下1)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)模型離散化，節(jié)點的傳播距離以及節(jié)點之間的距離都表示為離散單元形式，圓形通信范圍轉(zhuǎn)化為正方形范圍；2)網(wǎng)絡(luò)中的每個錨節(jié)點獲取自己的位置信息；3)每個錨節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中廣播信標信號，發(fā)送強度分三種，信標信號中包括該錨節(jié)點的位置信息和ID；4)在錨節(jié)點的三種不同強度的射頻信標范圍內(nèi)的未知節(jié)點，接收到信標信號；5)未知節(jié)點根據(jù)信標信號的信息，確認自身處于該錨節(jié)點的哪一個射頻通信環(huán)帶內(nèi)；6)根據(jù)更多其他錨節(jié)點對該未知節(jié)點形成的環(huán)帶約束條件，確定所有約束區(qū)域的重疊區(qū)，作為節(jié)點可能所處的位置；7)取重疊區(qū)域的中心，作為未知節(jié)點的最終估計位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于-步驟l)中的網(wǎng)絡(luò)模型離散化，意味著網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型的簡化與理想化，同時在后續(xù)定位估計 階段可以借助概率論和離散數(shù)學、統(tǒng)計學等知識，簡化計算量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于 歩驟2)和3)具體為錨節(jié)點預先獲取自身位置信息，作為網(wǎng)絡(luò)中其他大量未知節(jié)點定位估 計的參考節(jié)點，錨節(jié)點向其鄰居節(jié)點廣播包含其位置信息和自身ID的信標信息數(shù)據(jù)包，錨節(jié)點采取三種不同的強度發(fā)送信標信號，從而每種強度之間都形成一個通信環(huán)帶。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于-歩驟4)和5)具體為接收到信標信息后，未知節(jié)點得知自己位于哪一個錨節(jié)點的范圍內(nèi)，以及位于何種強度的環(huán)帶內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于 步驟6)和7)具體為未知節(jié)點同時接收到多個信標信號，判斷出這些信標信號形成的環(huán)帶 的重疊區(qū)域，可以肯定未知節(jié)點的真實位置一定處在該重疊區(qū)域內(nèi)，從而以重疊區(qū)域的中 心作為未知節(jié)點的估計位置。
全文摘要
一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)離散模型中，建立節(jié)點通信范圍的環(huán)帶概念，將約束節(jié)點位置的錨節(jié)點數(shù)目縮小到其三跳通信范圍內(nèi)，以多個環(huán)帶通信范圍的重疊區(qū)域作為節(jié)點可能的位置區(qū)域，并取該區(qū)域的中心作為節(jié)點的估計位置。這種定位方法采用分布式計算和處理，有效地提高了未知節(jié)點定位的準確性及覆蓋率，降低了計算開銷及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功耗，同時保障定位的穩(wěn)定性，抗干擾能力強，具有一定的應(yīng)用價值，適用于大規(guī)模的隨機網(wǎng)絡(luò)，能夠有效符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式高精度定位的要求。
文檔編號H04L12/28GK101364915SQ20081010706
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者向滿天, 張堅林, 李立宏, 鄒文生, 卉 陳, 龍承志 申請人:南昌大學