專利名稱：分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種分布式無線傳
感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位是指根據(jù)一些已知位置估計的節(jié)點，即通常稱為錨節(jié) 點)和節(jié)點之間的測距信息或者連通信息確定未知位置節(jié)點的物理坐標(biāo)。節(jié)點定位技術(shù) 是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用中，節(jié)點位置至關(guān)重要，沒有 位置信息，大部分采集的數(shù)據(jù)也失去了實際意義。由于位置信息的重要性，網(wǎng)絡(luò)部署后，節(jié) 點應(yīng)該能夠自主確定自身位置，由于受資源、成本和應(yīng)用環(huán)境限制，每個節(jié)點配置GPS或者 人工配置顯得不現(xiàn)實，因此必須開發(fā)適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的節(jié)點定位機(jī)制。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)定位機(jī)制必須滿足自組織性、魯棒性、能量有效等要求，并且必須具有良好的可擴(kuò)展 性、容錯性、適應(yīng)資源有限的約束。 目前，針對不同的應(yīng)用提出了許多定位技術(shù)，按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)主要可以分為 測距和非測距、集中式和分布式等類型?，F(xiàn)有的基于測距的定位方法多為集中式定位方 法，如Q. Shi， C. He， and L Jiang，在"Normalized incremental subgradient algorithm andits application,"，即歸一化次梯度算法及其應(yīng)用)，即IEEE Trans. SignalProcess.， Vol. 57， No. 10， pp. 1-16， Oct. 2009.)中提出的基于歸一化次梯度法的定位方法能夠達(dá)到很 高的定位精度，但對網(wǎng)絡(luò)能量和帶寬的要求較高，可擴(kuò)展性差。而且，這些方法都沒有考慮 錨節(jié)點位置存在測量誤差。 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，S. Srirangarjan， A. H. Tewfik， and Z. -Q. Luo，在 "Distributed sensor network localization using S0CP relaxation,，，，艮卩基于二次 錐松弛的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)定位)，即IEEE Trans. Wireless Co匪n. ， Vol. 7， No. 12， pp. 4886-4895，Dec. 2008)中考慮了錨節(jié)點位置存在測量誤差這一情況，提出了一種分布式 的定位方法。該方法非常適合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分布式執(zhí)行，但是由于是基于二次錐松弛技術(shù)，定位精 度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位 方法，適用于靜態(tài)無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位，降低了對網(wǎng)絡(luò)能量和帶寬的要求，提高了定位精度和 可擴(kuò)展性，不需要任何路由協(xié)議支持。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 第一步、網(wǎng)絡(luò)初始化當(dāng)包括錨節(jié)點和未知節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署完畢后，所有網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點中的直連鄰居節(jié)點之間進(jìn)行測距，然后每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定各自位置的初始估計并廣播 給該節(jié)點的鄰居節(jié)點。
所述的初始估計包括未知節(jié)點位置的初始估計和錨節(jié)點位置的初始估計，其中未知節(jié)點位置的初始估計隨機(jī)生成，錨節(jié)點位置的初始估計通過GPS或人工測量所得。
所述的直連鄰居節(jié)點是指能夠直接通信的兩個相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；
所述的測距是指直連鄰居節(jié)點之間的歐氏距離估計； 第二步、凸定位利用主從節(jié)點選擇協(xié)議從所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中確定若干個主節(jié)點和
對應(yīng)的從節(jié)點，每個主節(jié)點根據(jù)其與從節(jié)點的測距以及由從節(jié)點發(fā)出的初始估計利用二次
錐定位法進(jìn)行位置更新，重復(fù)執(zhí)行第二步直至所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置不再更新，所述的主節(jié)
點是指具有位置更新權(quán)利的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；所述的從節(jié)點是指主節(jié)點的所有相鄰節(jié)點； 所述的主從節(jié)點選擇協(xié)議是指每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運(yùn)行一個隨機(jī)定時器并進(jìn)行倒計
時，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的隨機(jī)定時器即將最早到期時，則該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則向其所有鄰居節(jié)點廣
播主節(jié)點更新消息，同時所有收到該主節(jié)點更新消息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點停止其隨機(jī)定時器并將其
設(shè)定為從節(jié)點，其中主節(jié)點更新消息是指通過廣播向鄰居節(jié)點發(fā)送更新消息，宣告廣播
發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為主節(jié)點。
所述的位置更新具體包括以下步驟 2. 1)利用二次錐凸定位法生成主節(jié)點的位置更新； 2. 2)當(dāng)主節(jié)點的位置更新與上一次的位置估計之間的歐式距離在10—4 10—2以 下時，則該主節(jié)點的位置不進(jìn)行更新，并停止隨機(jī)定時器； 否則更新該主節(jié)點的位置估計，以位置更新替換上一次的位置估計。 2. 3)重復(fù)步驟2. 1)和步驟2. 2)直至所有節(jié)點的隨機(jī)定時器關(guān)閉，即當(dāng)所有節(jié)點
的位置都不需要更新。 第三步、運(yùn)行主從節(jié)點選擇協(xié)議確定主節(jié)點和從節(jié)點，然后各主節(jié)點根據(jù)其與從 節(jié)點測距和從節(jié)點的位置估計利用非凸定位法進(jìn)行二次位置估計，得到最終節(jié)點位置估 計。
所述的利用非凸定位法進(jìn)行二次位置估計，包括以下步驟 3. 1)主節(jié)點利用迭代式計算該主節(jié)點到其從節(jié)點的間距， 當(dāng)主節(jié)點為未知節(jié)點時，迭代式為


min
+
，'廣
。[[果節(jié)點i為^節(jié)點 1，2，..

Vj-Xj
如果節(jié)點i為錨節(jié)點
其中Xi為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置，Vj為未知點的測量位置，ai為錨節(jié)點的測量位置，
N
當(dāng)主節(jié)點為錨節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 6</formula> 其中Ni表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點集、Xj為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點Xi的所有鄰居節(jié)點的當(dāng)前位置 估計，表示直連鄰居節(jié)點i和j之間的歐氏距離估計，i = 1，2， . . . N ;
3. 2)當(dāng)步驟3. 1)得到的間距與第二步中得到的位置更新相比差距為10—4 10—2 時，則該主節(jié)點不更新，并停止隨機(jī)定時器；否則將二次位置更新替換該主節(jié)點在第二步中 得到的位置更新； 3. 3)重復(fù)步驟3. 1)和步驟3. 2)此過程直至所有主節(jié)點的不再進(jìn)行二次位置更 新，從而得到最終的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位。 本發(fā)明方法通過利用內(nèi)點法求解，每個節(jié)點更新位置的計算復(fù)雜度為三次多項式 級別，實現(xiàn)起來較為簡單。


圖1為分布式凸定位法ESOCP的收斂性能圖。 圖2為分布式非凸定位法NCSG的收斂性能圖。 圖3為各種定位法在錨節(jié)點位置不確定性時的定位性能比較圖； 其中S = 0. 2R， R為通信半徑。 圖4為各種定位法在測距噪聲系數(shù)定位性能比較圖； 其中nf = 0. 1時隨著錨節(jié)點誤差。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。 本實施例實現(xiàn)環(huán)境包括一個由N個節(jié)點，其中m個錨節(jié)點和n個未知節(jié)點組成 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，上述節(jié)點的位置依次用Xi， i = 1，2，. . . N表示；錨節(jié)點的測量位置為& 和測量誤差的上界為S :艮卩I |Xi-ai| I《S，i二l，2，…m;直連鄰居節(jié)點i和j的測量距 離用dij表示，S卩I |Xi-Xj| I " dij。
本實施例具體通過以下步驟進(jìn)行 第一階段為網(wǎng)絡(luò)的初始化階段，此階段包括以下步驟 1. 1)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署完畢后，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的直連鄰居節(jié)點之間進(jìn)行測距；
1. 2)每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定各自位置的初始估計并將初始位置估計廣播給各自的鄰 居節(jié)點； 1. 3)所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點啟動隨機(jī)定時器。
所述的初始位置估計包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始估計，其中未知節(jié)點位置的初始估 計隨機(jī)生成，錨節(jié)點位置的初始估計通過GPS或人工測量所得。
所述的直連鄰居節(jié)點是指能夠直接通信的兩個相鄰節(jié)點；
所述的測距是指直連鄰居節(jié)點之間的歐氏距離估計； 第二階段為分布式凸定位階段，該階段在初始階段完成后執(zhí)行，包括如下過程有些節(jié)點的定時器相比于它們的鄰居節(jié)點的定時器率先到期，這些節(jié)點就被選擇成為主節(jié)點，即具有位置更新權(quán)利的節(jié)點，而其鄰居節(jié)點則成為從節(jié)點，即從屬于主節(jié)點的節(jié)點，在主節(jié)點更新位置時這些節(jié)點不更新位置。 當(dāng)發(fā)生定時器沖突，即兩個以上鄰居節(jié)點的定時器同時到期，那么這些節(jié)點重新啟動隨機(jī)定時器競爭成為主節(jié)點。確定了主節(jié)點以后，主節(jié)點廣播一個控制信息，通知各自的鄰居節(jié)點，即從節(jié)點，都退避，即告訴鄰居節(jié)點這個時刻只有它有權(quán)利更新，而鄰居節(jié)點在收到控制信息后關(guān)閉各自的定時器進(jìn)入待命狀態(tài)并回復(fù)主節(jié)點"收到命令"信息。主節(jié)點在知道自己的鄰居節(jié)點都待命后利用二次錐定位法計算自己的位置估計并與當(dāng)前的位置估計進(jìn)行比較。 當(dāng)主節(jié)點不需要更新位置估計，也就是當(dāng)計算出來的位置估計和當(dāng)前的位置估計變化不明顯，即它們之間的歐式距離在10—4 10—2以下時，那么主節(jié)點關(guān)閉自己的定時器并向其從節(jié)點發(fā)送"允許更新"的命令，否則向從節(jié)點發(fā)送更新后的位置估計和位置相關(guān)冗余 當(dāng)某從節(jié)點可能隸屬于多個主節(jié)點。只有當(dāng)該從節(jié)點收到了所有其主節(jié)點完成位置計算后發(fā)來的控制信息，即包括"允許更新"命令或者更新后的位置估計和相關(guān)冗余變量)且至少它的一個主節(jié)點的位置估計發(fā)生了更新，那么該從節(jié)點重啟定時器，否則從節(jié)點不重啟定時器，直到收到其它主節(jié)點更新后的位置估計。
重復(fù)上述過程直到所有節(jié)點的定時器都關(guān)閉。 所述的二次錐定位法是指假如節(jié)點i為主節(jié)點，則節(jié)點i通過求解下述二次錐規(guī)劃計算位置估計 對于節(jié)點i為錨節(jié)點的情況，二次錐規(guī)劃為<formula>formula see original document page 7</formula>
, <formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>而對于節(jié)點i為未知節(jié)點的情況，二次錐規(guī)劃為<formula>formula see original document page 7</formula>
在上述二次錐規(guī)劃中，Ni表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點集，j G Ni表示節(jié)點j是節(jié)點i的Y，.，，l |Xj| I2 ;Xj為鄰居節(jié)點的當(dāng)前位置估計；
鄰居；Yii， Yjj， Yij，即j G &為冗余變量；Cj上述二次錐規(guī)劃有關(guān)Xi的解作為節(jié)點i的位置估計。 所述的位置相關(guān)冗余變量是指假如節(jié)點i為主節(jié)點，則二次錐規(guī)劃有關(guān)Y 的解為節(jié)點i的位置相關(guān)冗余變量。 第三階段為分布式非凸定位階段，該階段在第二階段完成后執(zhí)行，首先重新啟動所有節(jié)點的隨機(jī)定時器，然后重復(fù)執(zhí)行如下過程直到所有節(jié)點的隨機(jī)定時器關(guān)閉有些節(jié)點的定時器相比于它們的鄰居節(jié)點的定時器率先到期，這些節(jié)點就被選擇成為主節(jié)點，即具有位置更新權(quán)利的節(jié)點，而其鄰居節(jié)點則成為從節(jié)點，即從屬于主節(jié)點的節(jié)點，在主節(jié)點更新位置時這些節(jié)點不更新位置。若發(fā)生沖突，即兩個以上鄰居節(jié)點的定時器同時到期，那么這些節(jié)點重新啟動隨機(jī)定時器競爭成為主節(jié)點。確定了主節(jié)點以后，主節(jié)點廣播一個控制信息，通知各自的鄰居節(jié)點，即從節(jié)點)都退避，即告訴鄰居節(jié)點這個時刻只有它有權(quán)利更新，而鄰居節(jié)點在收到控制信息后關(guān)閉各自的定時器進(jìn)入待命狀態(tài)并回復(fù)主節(jié)點"收到命令"信息。主節(jié)點在知道自己的鄰居節(jié)點都待命后利用非凸定位法計算自己的位置估計并與當(dāng)前的位置估計進(jìn)行比較。如果主節(jié)點發(fā)現(xiàn)不需要更新位置估計，也就是當(dāng)計算出來的位置估計和當(dāng)前的位置估計變化不明顯時，即它們之間的歐式距離小于10—4，那么主節(jié)點關(guān)閉自己的定時器并向其從節(jié)點發(fā)送"允許更新"的命令，否則向從節(jié)點發(fā)送更新后的位置估計。注意，某個從節(jié)點可能隸屬于多個主節(jié)點。只有當(dāng)該從節(jié)點收到了所有其主節(jié)點完成位置計算后發(fā)來的控制信息，即包括"允許更新"命令或者更新后的位置估計)且至少它的一個主節(jié)點的位置估計發(fā)生了更新，那么該從節(jié)點重啟定時器，否則從節(jié)點不重啟定時器，直到收到其它主節(jié)點更新后的位置估計。 第三階段的定位結(jié)果作為最終的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置估計。
所述的非凸定位法是指假如節(jié)點i為主節(jié)點，則節(jié)點i通過下述迭代位置更新方法計算位置估計，即迭代初始值Xi°取節(jié)點i當(dāng)前的位置估計
當(dāng)節(jié)點i為錨節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 8</formula> 當(dāng)節(jié)點i為未知節(jié)點時，迭代式為
<formula>formula see original document page 9</formula> 在上述迭代式中，|Ni|表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點總數(shù)；Xj為鄰居節(jié)點的當(dāng)前位置估計；Xik表示第k次迭代計算得到的節(jié)點i的位置估計值。迭代算法的終止準(zhǔn)則為
^ ^e的取值范圍為10—4 10— 從圖1和圖2中可以看出，本實施例的定位方法能夠迅速收斂，大概需要30次循環(huán)計算，即注意，此處的一次循環(huán)代表遍歷所有節(jié)點一次。從圖3，4中可以看出，本實施例的分布式凸定位方法ES0CP，即第二階段方法)相比現(xiàn)有技術(shù)具有更高的定位精度，另外，本實施例的分布式非凸定位方法，即第三階段方法)可以進(jìn)一步提高定位精度。圖中還可以看出，本實施例的二階段定位方法ESOCP+NCSG相比現(xiàn)有技術(shù)提高％ 20通信半徑的定位精度，非常接近集中式定位方法NIS的定位性能，尤其在測距誤差和錨節(jié)點位置測』較小時。
權(quán)利要求
一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、網(wǎng)絡(luò)初始化當(dāng)包括錨節(jié)點和未知節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署完畢后，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的直連鄰居節(jié)點之間進(jìn)行測距，然后每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定各自位置的初始估計并廣播給該節(jié)點的鄰居節(jié)點；第二步、凸定位利用主從節(jié)點選擇協(xié)議從所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中確定若干個主節(jié)點和對應(yīng)的從節(jié)點，每個主節(jié)點根據(jù)其與從節(jié)點的測距以及由從節(jié)點發(fā)出的初始估計利用二次錐定位法進(jìn)行位置更新，重復(fù)執(zhí)行第二步直至所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置不再更新，所述的主節(jié)點是指具有位置更新權(quán)利的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；所述的從節(jié)點是指主節(jié)點的所有相鄰節(jié)點；第三步、運(yùn)行主從節(jié)點選擇協(xié)議確定主節(jié)點和從節(jié)點，然后各主節(jié)點根據(jù)其與從節(jié)點測距和從節(jié)點的位置估計利用非凸定位法進(jìn)行二次位置估計，得到最終節(jié)點位置估計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征是，所述的初 始估計包括未知節(jié)點位置的初始估計和錨節(jié)點位置的初始估計，其中未知節(jié)點位置的 初始估計隨機(jī)生成，錨節(jié)點位置的初始估計通過GPS或人工測量所得。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征是，所述的主 從節(jié)點選擇協(xié)議是指每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運(yùn)行一個隨機(jī)定時器并進(jìn)行倒計時，當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 i的隨機(jī)定時器即將最早到期時，則該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則向其所有鄰居節(jié)點廣播主節(jié)點更新消息， 同時所有收到該主節(jié)點更新消息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點停止其隨機(jī)定時器并將其設(shè)定為從節(jié)點，其 中主節(jié)點更新消息是指通過廣播向鄰居節(jié)點發(fā)送更新消息，宣告廣播發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 為主節(jié)點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征是，所述的位 置更新，包括以下步驟(2. 1)利用二次錐凸定位法生成主節(jié)點的位置更新；(2. 2)當(dāng)主節(jié)點的位置更新與上一次的位置估計之間的歐式距離小于0. 0001時，則該 主節(jié)點的位置不進(jìn)行更新，并停止隨機(jī)定時器；否則更新該主節(jié)點的位置估計，以位置更新替換上一次的位置估計；(2. 3)重復(fù)步驟2. 1)和步驟2. 2)直至所有節(jié)點的隨機(jī)定時器關(guān)閉，即當(dāng)所有節(jié)點的位 置都不需要更新。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征是，所述的利 用非凸定位法進(jìn)行二次位置估計，包括以下步驟(3. 1)主節(jié)點利用迭代式計算該主節(jié)點到其從節(jié)點的間距， 當(dāng)主節(jié)點為未知節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 2</formula>2其中Xi為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置，Vj為未知點的測量位置，&為錨節(jié)點的測量位置，i = 1，<formula>formula see original document page 3</formula>當(dāng)主節(jié)點為錨節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 3</formula>其中A表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點集、Xj為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點Xi的所有鄰居節(jié)點的當(dāng)前位置估計，dij表示直連鄰居節(jié)點i和j之間的歐氏距離估計，i = 1，2， . . . N ;(3. 2)當(dāng)步驟3. 1)得到的間距與第二步中得到的位置更新相比差距為10—4 10—2時， 則該主節(jié)點不更新，并停止隨機(jī)定時器；否則將二次位置更新替換該主節(jié)點在第二步中得 到的位置更新；(3. 3)重復(fù)步驟3. 1)和步驟3. 2)此過程直至所有主節(jié)點的不再進(jìn)行二次位置更新，從 而得到最終的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，包括網(wǎng)絡(luò)初始化；凸定位；和非凸定位三個階段。本發(fā)明適用于靜態(tài)無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位，降低了對網(wǎng)絡(luò)能量和帶寬的要求，提高了定位精度和可擴(kuò)展性，不需要任何路由協(xié)議支持。
文檔編號H04W84/18GK101711062SQ20091031055
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者何晨, 史清江, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學(xué)