專利名稱：基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明隸屬于屬于嵌入式開發(fā)與無線通信的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于連通性 的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法。
背景技術(shù)：
作為一種新的信息獲取手段，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò) 連接在一起，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象信息，并對這些信 息進行處理，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳感器節(jié)點數(shù)量大、分布 廣、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強、單個節(jié)點成本低廉等特點。它的出現(xiàn)使人們獲得了一種可以持續(xù)實時監(jiān) 測環(huán)境的新途徑，是一種“無處不在”的傳感技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用到人類生活的各個領(lǐng)域。尤 其是在軍事領(lǐng)域中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點的損壞 而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，非常適合應(yīng)用在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括監(jiān)控敵方部署、裝備、軍 火情況，戰(zhàn)場監(jiān)視、定位、戰(zhàn)場損失評估，核、生化武器攻擊的監(jiān)測和偵察。另外，無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)還能廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān) 控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)區(qū)的安全檢測等領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著明顯不同的設(shè)計目的和技術(shù)要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)是 以感知、采集和傳輸數(shù)據(jù)為目的，中間節(jié)點僅僅負責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。相鄰節(jié)點間的距離較 短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，也避免了長距離的無線通 信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨特的要求和制約因素為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的 技術(shù)問題，網(wǎng)絡(luò)自身定位問題就是其中之一。由于傳感器節(jié)點往往采取隨機布撒的部署方 式，除少數(shù)傳感器節(jié)點外，網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點不能預(yù)知其位置，而傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景又 往往與節(jié)點地理位置密切相關(guān)，沒有位置信息的感知數(shù)據(jù)是沒有意義的。因此，在無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，節(jié)點自身的定位問題也就成了關(guān)鍵的問題之一。目前技術(shù)條件下常用的方法是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點來獲得其 他未知位置的節(jié)點的位置信息。已知位置的節(jié)點稱作錨節(jié)點；未知位置的節(jié)點稱作未知節(jié) 點；錨節(jié)點能通信的最遠距離稱為通信半徑；通信半徑范圍內(nèi)的其他節(jié)點稱為自身的鄰居 節(jié)點，也稱為一跳點。錨節(jié)點根據(jù)自身位置建立本地坐標(biāo)系，未知節(jié)點根據(jù)錨節(jié)點計算出自 己在錨節(jié)點本地坐標(biāo)系里的相對位置，從而可以獲知自身位置信息。現(xiàn)有定位方法按照定位過程中所需的信息可分為兩類基于測距的定位算法和無 需測距的定位算法。無需測距的定位方法不需要直接測量節(jié)點間的距離和角度信息，僅僅 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息就能夠?qū)崿F(xiàn)定位，在設(shè)備的成本和功耗方面具有優(yōu)勢，因而是目前 研究的重點。目前應(yīng)用較為廣泛的一種方法是美國路特葛斯大學(xué)的Niculescu教授提出的 基于距離矢量(distance vector-hop，簡稱DV-Hop)的分布式定位方法。DV-Hop方法不需 要直接測量節(jié)點間的距離或角度，定位方法簡單。但是，泛洪式的信息傳播方式容易產(chǎn)生通 信阻塞，且?guī)缀趺總€未知節(jié)點都需要轉(zhuǎn)發(fā)所有錨節(jié)點的信息，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)通信量的倍增， 不太適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；如果未知節(jié)點接收的第一個錨節(jié)點估計的平均每跳距離值偏差較大，就會造成這個未知節(jié)點估計的到各個錨節(jié)點的距離偏差非常大，從而導(dǎo)致定位誤差增 大；在DV-Hop中，距錨節(jié)點一跳的未知節(jié)點均用一跳距離來代替實際距離，存在較大誤差； 另外，由于信息的可控泛洪式的傳播方式使得節(jié)點總是搜尋離錨節(jié)點跳數(shù)最少的路徑，而 最后一跳的距離通常會較小，若直接用跳數(shù)乘上平均每跳距離將會產(chǎn)生較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計信息轉(zhuǎn)發(fā)的限跳值，以減少網(wǎng)絡(luò)的通信量，并充分 利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通性，引入誤差修正方法，以進一步提高定位精度，使得方法更加適用于 大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點定位方法，方法流程圖如圖1所示，包括在監(jiān)測區(qū)域布撒無線傳感器節(jié)點后，網(wǎng)絡(luò)初 始化，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)離線計算出保證定位需要的前提下信息可控泛洪的轉(zhuǎn)發(fā)限跳值； 網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點在限跳范圍內(nèi)通過可控泛洪的信息傳播獲取錨節(jié)點信標(biāo)分組、相距跳數(shù)及 鄰居節(jié)點信息；每個錨節(jié)點根據(jù)其他錨節(jié)點位置及相距跳數(shù)，估計出以自身為中心的平均 每跳距離；未知節(jié)點在限跳范圍內(nèi)獲取錨節(jié)點廣播的平均每跳距離，并從信息的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點 獲取一跳節(jié)點的鄰居節(jié)點信息；未知節(jié)點根據(jù)錨節(jié)點的相距跳數(shù)對獲取的各個平均每跳距 離進行加權(quán)處理，計算未知節(jié)點的最終平均每跳距離；未知節(jié)點根據(jù)最終平均每跳距離和 距離每個錨節(jié)點的跳數(shù)，計算與每個錨節(jié)點之間的距離，另外，將網(wǎng)絡(luò)連節(jié)點通性轉(zhuǎn)化為距 離信息，用于估計距錨節(jié)點只有一跳的距離以及從錨節(jié)點到未知節(jié)點的路徑上最后一跳的 距離；未知節(jié)點根據(jù)與每個錨節(jié)點之間的距離估計自身坐標(biāo)。上述技術(shù)方案中，在保證定位需要的前提下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)離線計算出信息 可控泛洪的轉(zhuǎn)發(fā)限跳值具體為根據(jù)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的面積、節(jié)點的總數(shù)目、錨節(jié)點的數(shù)目和 節(jié)點的通信半徑等信息，計算出需要將每個錨節(jié)點信息在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，從而確保網(wǎng) 絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點能夠通過可控泛洪式的信息轉(zhuǎn)發(fā)方式獲知預(yù)定數(shù)目的錨節(jié)點信息。上述技術(shù)方案中，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點在限跳范圍內(nèi)通過可控泛洪的信息傳播獲取錨 節(jié)點信標(biāo)分組、相距跳數(shù)及鄰居節(jié)點信息具體為各錨節(jié)點以可控泛洪的方式廣播信標(biāo)信 息，包括自身坐標(biāo)、自身ID、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID (初始化為錨節(jié)點自身ID)、限跳參數(shù)HoPl及計算 器參數(shù)(初始化為0)。其他節(jié)點記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID，且僅記錄接收到的來自同一錨節(jié)點的第 一個信標(biāo)分組信息，同時判斷計數(shù)器是否為HoPl，是則不做處理，否則更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID，將 計數(shù)器參數(shù)加1，再轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點。上述技術(shù)方案中，每個錨節(jié)點根據(jù)其他錨節(jié)點位置及相距跳數(shù)，估計出以自身為 中心的平均每跳距離具體為各錨節(jié)點根據(jù)接收到的其他錨節(jié)點的位置信息計算出自身到 其他錨節(jié)點的距離，再根據(jù)到其他錨節(jié)點的跳數(shù)及相應(yīng)距離計算出以自身為中心的平均每 跳距離。其中，平均每跳距離為自身到其他錨節(jié)點的距離之和除以自身到其他錨節(jié)點的跳 數(shù)之和。上述技術(shù)方案中，未知節(jié)點在限跳范圍內(nèi)獲取錨節(jié)點廣播的平均每跳距離，并從 信息的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點獲取一跳節(jié)點的鄰居節(jié)點信息具體為錨節(jié)點以可控泛洪的方式廣播信標(biāo) 分組信息，包括將計算的平均每跳距離、自身ID、限跳參數(shù)HoPl、自身的鄰居節(jié)點ID以及初 始化為0的計數(shù)器值。其他節(jié)點記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的鄰居節(jié)點信息，且僅記錄接收到的來自同一錨節(jié)點的第一個平均每跳距離，同時判斷HoPl是否為0，是則不做處理，否則更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié) 點信息為自身ID，更新鄰居節(jié)點信息為自身的鄰居節(jié)點ID，將計數(shù)器值加1，再轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居 節(jié)點。上述技術(shù)方案中，未知節(jié)點根據(jù)錨節(jié)點的相距跳數(shù)對獲取的各個平均每跳距離進 行加權(quán)處理，計算未知節(jié)點的最終平均每跳距離具體為未知節(jié)點根據(jù)到各錨節(jié)點的跳數(shù) 計算相應(yīng)的權(quán)值，對各錨節(jié)點的平均每條距離進行加權(quán)處理。其中，一個錨節(jié)點的平均每跳 距離的加權(quán)值為未知節(jié)點到此錨節(jié)點的跳數(shù)的倒數(shù)除以未知節(jié)點到各錨節(jié)點的跳數(shù)的倒 數(shù)之和，最終平均每跳距離取各錨節(jié)點的平均每跳距離與對應(yīng)的加權(quán)值的乘積之和。上述技術(shù)方案中，未知節(jié)點根據(jù)最終平均每跳距離和距離每個錨節(jié)點的跳數(shù)，計 算與每個錨節(jié)點之間的距離具體為對于距離錨節(jié)點僅為一跳的未知節(jié)點，將兩者的連通 性轉(zhuǎn)化為距離代替兩者的間距；對于距離錨節(jié)點為n跳的未知節(jié)點，從錨節(jié)點到未知節(jié)點 的路徑上的前n-1跳距離由跳數(shù)與最終平均每跳距離求出，最后一跳由未知節(jié)點與上一跳 節(jié)點的連通性轉(zhuǎn)化為距離代替兩者的間距。上述技術(shù)方案中，未知節(jié)點根據(jù)與每個錨節(jié)點之間的距離估計自身坐標(biāo)。具體為 若未知節(jié)點接收到3個錨節(jié)點的信標(biāo)分組，則根據(jù)到各個錨節(jié)點的跳段距離，利用三邊測 量法求得自身坐標(biāo)。若錨節(jié)點信息多于3個，則先算得多個估計位置，最后取平均作為未知 節(jié)點的坐標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)中少量節(jié)點可能只收到一個或兩個錨節(jié)點信息，此時，以此錨節(jié)點的坐標(biāo) 或者兩個錨節(jié)點的連線中點作為未知節(jié)點的估計位置。本發(fā)明提出了一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，利用 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)估計出可控泛洪的限跳值，且能滿足定位所需的足夠的錨節(jié)點信息，從而減 少了節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息的次數(shù)，大幅度地降低了網(wǎng)絡(luò)通信量；本發(fā)明對接收到的每個錨節(jié)點估 計的平均每跳距離根據(jù)跳數(shù)進行加權(quán)處理，利用計算的最終平均每跳距離計算未知節(jié)點與 錨節(jié)點之間的距離，就整體網(wǎng)絡(luò)來講，各個錨節(jié)點估計的平均每跳距離值分布在準(zhǔn)確值的 兩側(cè)，綜合考慮多個錨節(jié)點估計值，對它們進行加權(quán)處理能有效減小偏差，提高了平均每跳 距離估計的準(zhǔn)確性，可有效降低定位誤差；其次，針對距離錨節(jié)點僅為一跳的未知節(jié)點定位 以及路徑上最后一跳的距離估計等問題，充分利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的連通性進行改善，進一步 提高了定位精度。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法流程圖；圖2為本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點獲取錨節(jié)點信息及相距跳數(shù)、鄰居節(jié)點信息 實施例流程圖；圖3為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)中錨節(jié)點根據(jù)其他錨節(jié)點位置和距離其他錨節(jié)點的跳數(shù)信息， 估計平均每跳距離實施例流程圖；圖4為本發(fā)明未知節(jié)點獲取每個錨節(jié)點廣播的平均每跳距離信息及一跳節(jié)點的 鄰居節(jié)點信息實施例流程圖；圖5為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點連通度與距離的關(guān)系示意圖；圖6為本發(fā)明未知節(jié)點計算最終平均每跳距離實施例流程圖7為本發(fā)明中對錨節(jié)點一跳范圍內(nèi)節(jié)點間距離估計誤差分析示意圖；圖8為本發(fā)明中對錨節(jié)點到未知節(jié)點的路徑上最后一跳距離的估計誤差分析示 意圖；圖9為本發(fā)明未知節(jié)點計算自身到錨節(jié)點的跳段距離實施例流程圖；圖10為本發(fā)明未知節(jié)點根據(jù)到錨節(jié)點的跳段距離計算自身位置實施例流程圖；圖11為本發(fā)明三邊測量法理論基礎(chǔ)示意圖；表1為本發(fā)明方法中錨節(jié)點比例、限跳值和節(jié)點接收到錨節(jié)點的平均個數(shù)之間的 關(guān)系；圖12為本發(fā)明方法與DV-Hop方法的定位精度仿真比較；圖13為本發(fā)明方法與DV-Hop方法的通信量仿真比較；
具體實施例方式圖1為本發(fā)明基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法流程圖。首 先布局網(wǎng)絡(luò)，本方法應(yīng)用于平面式分布的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點均勻隨機分布，預(yù)先知道監(jiān)測區(qū)域的面 積Sd，傳感器節(jié)點數(shù)目N(其中錨節(jié)點數(shù)目M)，每個節(jié)點有各自的ID和固定的無線通信半 徑R。步驟1 離線計算限跳值HoPl。HoPl值將影響到網(wǎng)絡(luò)的整體通信量以及未知節(jié)點的定位精度，HoPl值過大將導(dǎo)致 通信量的倍增，且超過某個閾值后反而會對定位精度帶來負面影響；HoPl過小將直接降低 定位精度，甚至若干未知節(jié)點因沒有足夠多的信標(biāo)信息而無法完成定位。本方法中，！！叩工值 的設(shè)定以保證未知節(jié)點能接收到Na(—般取值為6 11)個錨節(jié)點的信標(biāo)信息為原則，按 以下方法進行離線計算定義1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的平均鄰居節(jié)點數(shù)Nnb。假設(shè)節(jié)點隨機布撒的二維平面區(qū)域是邊長為L(m)的正方形，節(jié)點總數(shù)目為N個 (其中錨節(jié)點為M個)，所有節(jié)點同構(gòu)且通信半徑均為R(m)，兩節(jié)點間距離不大于R即認為 可以相互連通，則平均鄰居節(jié)點數(shù)Nnb為
(1)則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間平均每跳距離HopSize為 錨節(jié)點的信標(biāo)信息可以通過多跳的形式傳輸?shù)骄嚯x自身HoPl跳之內(nèi)的所有節(jié)點， 相當(dāng)于將錨節(jié)點的通信半徑延長了，在此稱為虛擬半徑Rs(m)，可由式(3)算得Rs = HopSize XHop!(3)此時，若要計算網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點所能接收到錨節(jié)點信息的平均個數(shù)Na，則只需 算得以Rs為半徑的虛擬圓內(nèi)所包含的錨節(jié)點個數(shù)，即 由上可見，要使隊達到要求，結(jié)合式(3)和(4)，可以得出相應(yīng)的110 1值

(5)步驟2 節(jié)點獲取網(wǎng)絡(luò)中到距自身最近的Na個錨節(jié)點的信息和相應(yīng)的最小跳數(shù)。如圖2所示，各錨節(jié)點以可控泛洪的方式廣播信標(biāo)信息，包括自身坐標(biāo)、自身ID、 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID (初始化為錨節(jié)點自身ID)、限跳參數(shù)HoPl及計算器參數(shù)(初始化為0)。其他 節(jié)點記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID，且僅記錄接收到的來自同一錨節(jié)點的第一個信標(biāo)分組信息，同時判 斷計數(shù)器是否為HoPl，是則不做處理，否則更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID，將計數(shù)器參數(shù)加1，再轉(zhuǎn)發(fā)給下 一跳節(jié)點。通過步驟2，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點平均接收到了離自身最近的隊個錨節(jié)點的信標(biāo)信息，記 錄了到這Na個錨節(jié)點的最小跳數(shù)，且獲知了自身鄰居節(jié)點的信息。步驟3 錨節(jié)點計算平均每跳距離，并廣播至網(wǎng)絡(luò)中。如圖3所示，每個錨節(jié)點根據(jù)步驟2所得其他錨節(jié)點的信息，按照式(6)計算以自 身為中心的平均每跳距離
(6)其中，(Xi，Yi)，(Xj, Yj)是錨節(jié)點i，j的坐標(biāo)，是錨節(jié)點i與j (j乒i)之間的 跳數(shù)。步驟4 未知節(jié)點獲取平均每跳距離，并從信息的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點獲取一跳節(jié)點的鄰居 T1點fn息。如圖4所示，錨節(jié)點再次以可控泛洪的方式廣播信標(biāo)分組信息，包括將計算的平 均每跳距離、自身ID、限跳參數(shù)HoPl、自身的鄰居節(jié)點ID以及初始化為0的計數(shù)器參數(shù)。其 他節(jié)點記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的鄰居節(jié)點信息，且僅記錄接收到的來自同一錨節(jié)點的第一個平均每 跳距離，同時判斷HoPl是否為0，是則不做處理，否則更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點信息為自身ID，更新鄰 居節(jié)點信息為自身的鄰居節(jié)點ID，將計數(shù)器加1，再轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點。通過步驟3，絕大多數(shù)節(jié)點從最近的隊個錨節(jié)點接收到了平均每跳距離，并獲知了 相鄰節(jié)點的鄰居節(jié)點列表信息。步驟5 未知節(jié)點根據(jù)相距跳數(shù)對獲取的各個平均每跳距離進行加權(quán)處理，計算 最終平均每跳距離。定義2 最終平均每跳距離NewHSki。若未知節(jié)點k收到隊個錨節(jié)點的信息，對應(yīng)的相距跳數(shù)為hki，i = 1,2-, Nan，各 錨節(jié)點所算得的平均每跳距離為HopSize”則未知節(jié)點通過下式計算最終平均每跳距離 NewHS,
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如圖5所示，權(quán)值根據(jù)k到各錨節(jié)點跳數(shù)的倒數(shù)而取得，通過對權(quán)值的歸一化處理，可保證節(jié)點k數(shù)據(jù)表中各錨節(jié)點的平均每跳距離加權(quán)值之和為1。就整個網(wǎng)絡(luò)而言，因 節(jié)點的布撒不均勻性，各錨節(jié)點計算的平均每跳距離都有誤差，綜合考慮多個錨節(jié)點的平 均每跳距離，根據(jù)相距跳數(shù)對其作加權(quán)處理，距離越近的錨節(jié)點的加權(quán)值越大，利用計算的 最終平均每跳距離估計未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離，可有效保證不會因為一個錨節(jié)點的平均每跳距離估計偏差過大而導(dǎo)致整體定位誤差增加，又考慮了比較近的錨節(jié)點在估計定 位過程中的重要性，有利于從整體上減小偏差，提高整個網(wǎng)絡(luò)的定位精度。步驟6 未知節(jié)點計算到錨節(jié)點的跳段距離。如圖6所示，節(jié)點在正方形區(qū)域內(nèi)均勻隨機布撒，節(jié)點A和B相距較近，其公共鄰 居節(jié)點數(shù)目為6個，而節(jié)點A與節(jié)點C相距較遠，公共鄰居節(jié)點數(shù)目為3個。這反映了網(wǎng)絡(luò) 中節(jié)點的連通度與相對位置的關(guān)系，兩相鄰節(jié)點公共的鄰居節(jié)點數(shù)目越多，間接表示其相 距越近，反之越遠。故根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，定義如下節(jié)點連通度與距離的關(guān)系定義3 —跳距離近似值def。若(Nni，Nnj)分別是相鄰節(jié)點i，j各自的鄰居節(jié)點數(shù)目，n。為節(jié)點i，j公共的鄰居節(jié)點數(shù)目，通信半徑為R，則節(jié)點i和j之間的距離(^可以由式⑶近似表示 對于錨節(jié)點的鄰居節(jié)點，盡管相距錨節(jié)點均為一跳，實際距離卻相差不少。如圖7， 未知節(jié)點1 6均在錨節(jié)點i的一跳通信范圍內(nèi)，但是離錨節(jié)點i的實際距離相差不盡相 同，若用同一跳段距離來表示，必然存在較大誤差。在本發(fā)明中，對于距錨節(jié)點一跳的未知 節(jié)點，就以式(8)計算其間距。此外，由于可控泛洪式的傳播方式使得節(jié)點總是搜尋離錨節(jié)點跳數(shù)最少的路徑， 而最后一跳的距離通常會較小。如圖8，路徑i-1-2-3是錨節(jié)點i到未知節(jié)點3的最短路 徑，但是實際上節(jié)點3與上一跳節(jié)點2相距很近，若用平均每跳距離來代替這最后一跳也會 造成較大誤差。尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密度較大、錨節(jié)點密度較高時，由于錨節(jié)點與未知節(jié)點 之間的連通跳數(shù)會減少，最后一跳的誤差將會更明顯。故在本發(fā)明中，從錨節(jié)點到未知節(jié)點 的路徑上最后一跳距離也由式(8)計算。定義4 未知節(jié)點到各錨節(jié)點的跳段距離dh。p。若未知節(jié)點k收到隊個錨節(jié)點的信息，相距跳數(shù)為hki，i = 1，2…，Na，算得的最終 平均每跳距離為NewHSki，從錨節(jié)點i到未知節(jié)點k的路徑上k的上一跳節(jié)點為k'，del為 最后一跳距離，則未知節(jié)點到各錨節(jié)點的跳段距離為dhop = (hki-l) XNewHSki+del(9)‘ 通過步驟6，如圖9所示，各未知節(jié)點計算出了到隊個錨節(jié)點的跳段距離。步驟7 未知節(jié)點根據(jù)算得的到各錨節(jié)點的距離計算自身坐標(biāo)。如圖10所示，未知節(jié)點根據(jù)接收到的Na個錨節(jié)點的信息，以及到各個錨節(jié)點的跳 段距離，若Na = 3則利用三邊測量法求得自身坐標(biāo)。若Na > 3，則先算得個估計位置，最 后取平均作為未知節(jié)點的坐標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)中少量節(jié)點可能只收到一個或兩個錨節(jié)點信息，此時，以此錨節(jié)點的坐標(biāo)或者兩個錨節(jié)點的連線中點作為未知節(jié)點的估計位置。
其中，三邊測量法原理如圖11所示，已知A，B, C三個節(jié)點的坐標(biāo)分別為(xa，ya)， (xb, yb)，(xc, yc)，以及它們到未知節(jié)點0的距離分別為da，db，d。，假設(shè)節(jié)點D的坐標(biāo)為(x, y)。那么，存在下列公式 由上式可以得到節(jié)點0的坐標(biāo)為 為驗證本發(fā)明中方法的正確性和有效性，以下構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行仿真實驗。仿真條件仿真軟件為MATLAB 7. 6. 0，200個傳感器節(jié)點隨機分布在10RX 10R的 正方形平面區(qū)域，R為節(jié)點的通信半徑，不考慮錨節(jié)點位置誤差，定位精度由定位誤差與通 信半徑的比值表示。首先，如本發(fā)明中步驟1所述，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)計算可控泛洪的限跳值，隨機布 撒節(jié)點，仿真100次求平均后，表1給出了錨節(jié)點比例、限跳值HoPl與節(jié)點接收到錨節(jié)點信 息的平均個數(shù)(簡稱錨節(jié)點個數(shù)，AN)之間的關(guān)系。由于數(shù)據(jù)由多次求平均得到，故限跳值 出現(xiàn)小數(shù)，在本發(fā)明中對限跳值取整加1后進行仿真實驗。由于監(jiān)測區(qū)域和節(jié)點總數(shù)目是固定不變的，所以網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的平均鄰居節(jié)點數(shù)(即 平均連通度)不變，由式(1)算得約等于5。圖12給出了在不同錨節(jié)點比例下本發(fā)明方法與 DV-Hop的定位精度比較。從仿真曲線可以看出，整體上本發(fā)明方法的定位精度要明顯高于 DV-Hop。當(dāng)錨節(jié)點比例為30%、節(jié)點平均接收到7個錨節(jié)點信息時，本發(fā)明方法相對于DV-Hop 在定位精度上約提高了 12%。由此可見，采用本發(fā)明方法可以有效地提高定位精度。另外，通信開銷(communication spending, CS)也是評價定位方法優(yōu)劣的重要 指標(biāo)。DV-Hop采用可控的泛洪方式在全網(wǎng)中傳送消息，每個錨節(jié)點發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，中間 節(jié)點只發(fā)送未經(jīng)自身轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。由于方法要經(jīng)過2次泛洪過程，若網(wǎng)絡(luò)中共有N個傳 感器節(jié)點，其中有A個錨節(jié)點，則每個節(jié)點平均要發(fā)送2A個數(shù)據(jù)包，故DV-Hop的通信開 銷約為2XAXN。而本發(fā)明方法的通信量與限跳值的大小有關(guān)，由于錨節(jié)點信息經(jīng) 多跳轉(zhuǎn)發(fā)，HopSize為式(2)計算得到的平均每跳距離，相當(dāng)于錨節(jié)點的通信半徑延長至 H0PlXH0pSize，故以H0PlXH0pSize為半徑的圓內(nèi)的節(jié)點都需要轉(zhuǎn)發(fā)此錨節(jié)點信息。若SD 為監(jiān)測區(qū)域的面積，則通信開銷可以由式13近似表示 如圖13所示，本發(fā)明方法的數(shù)據(jù)通信量明顯低于同等條件下的DV-Hop。這是因為 當(dāng)給定限跳值110 1后，節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包只能在限制的跳數(shù)范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)發(fā)，不會擴展到 整個網(wǎng)絡(luò)，這就從整體上減少了網(wǎng)絡(luò)通信量。因此，在節(jié)點能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 本發(fā)明方法更能滿足網(wǎng)絡(luò)低能耗的要求，適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
權(quán)利要求
一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于包括以下步驟步驟1在監(jiān)測區(qū)域布撒無線傳感器節(jié)點后，網(wǎng)絡(luò)初始化，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)離線計算出保證定位需要的前提下信息可控泛洪的轉(zhuǎn)發(fā)限跳值；步驟2網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點在限跳范圍內(nèi)通過可控泛洪的信息轉(zhuǎn)發(fā)方式獲取錨節(jié)點位置、相距跳數(shù)及鄰居節(jié)點信息；步驟3每個錨節(jié)點根據(jù)其他錨節(jié)點的位置及相距跳數(shù)，估計出以自身為中心的平均每跳距離；步驟4未知節(jié)點在限跳范圍內(nèi)獲取錨節(jié)點廣播的平均每跳距離，并從信息的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點獲取一跳節(jié)點的鄰居節(jié)點信息；步驟5未知節(jié)點根據(jù)獲取的各個錨節(jié)點的平均每跳距離以及相距跳數(shù)，計算未知節(jié)點的最終平均每跳距離；步驟6未知節(jié)點根據(jù)最終平均每跳距離和距離每個錨節(jié)點的跳數(shù)，計算與每個錨節(jié)點之間的距離，另外，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連通性轉(zhuǎn)化為距離信息，用于估計距錨節(jié)點只有一跳的距離以及從錨節(jié)點到未知節(jié)點的路徑上最后一跳的距離；步驟7未知節(jié)點根據(jù)與每個錨節(jié)點之間的距離實現(xiàn)定位。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，所述步驟1具體為預(yù)先知道監(jiān)測區(qū)域的面積Sd，傳感器節(jié)點數(shù)目N(其中錨節(jié)點 數(shù)目M)，每個節(jié)點有各自的ID和固定的無線通信半徑R，預(yù)保證大部分節(jié)點能夠接收Na( — 般為6 11)個錨節(jié)點信息而實現(xiàn)較高精度定位，計算需要將每個錨節(jié)點信息以可控泛洪 式在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的限跳值。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，所述步驟2具體為各錨節(jié)點以可控泛洪的方式廣播信標(biāo)信息，包括自身坐標(biāo)、 自身ID、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID (初始化為錨節(jié)點自身ID)、限跳參數(shù)HoPl及初始化為0的計數(shù)器值。 其他節(jié)點記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID，且僅記錄接收到的來自同一錨節(jié)點的第一個信標(biāo)分組信息，同 時判斷計數(shù)器是否為HoPl，是則不做處理，否則更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點ID，將計數(shù)器值加1，再轉(zhuǎn)發(fā)給 下一跳節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，所述步驟3具體為各錨節(jié)點根據(jù)接收到的其他錨節(jié)點的位置信息計算出自身 到其他錨節(jié)點的距離，再根據(jù)到其他錨節(jié)點的跳數(shù)及相應(yīng)距離計算出以自身為中心的平均 每跳距離。其中，平均每跳距離為自身到其他錨節(jié)點的距離之和除以自身到其他錨節(jié)點的 跳數(shù)之和。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，所述步驟4具體為錨節(jié)點以可控泛洪的方式廣播信標(biāo)分組信息，包括將計算的 平均每跳距離、自身ID、限跳參數(shù)HoPl、自身的鄰居節(jié)點ID以及初始化為0的計數(shù)器值。其 他節(jié)點記錄轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的鄰居節(jié)點信息，且僅記錄接收到的來自同一錨節(jié)點的第一個平均每 跳距離，同時判斷HoPl是否為0，是則不做處理，否則更新轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點信息為自身ID，更新鄰 居節(jié)點信息為自身的鄰居節(jié)點ID，將計數(shù)器值加1，再轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其特征在于，所述步驟5具體為未知節(jié)點根據(jù)到各錨節(jié)點的跳數(shù)計算相應(yīng)的權(quán)值，對各錨節(jié) 點的平均每條距離進行加權(quán)處理。其中，一個錨節(jié)點的平均每跳距離的加權(quán)值為未知節(jié)點 至呲錨節(jié)點的跳數(shù)的倒數(shù)除以未知節(jié)點到各錨節(jié)點的跳數(shù)的倒數(shù)之和，最終平均每跳距離 取各錨節(jié)點的平均每跳距離與對應(yīng)的加權(quán)值的乘積之和。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，所述步驟6具體為對于距離錨節(jié)點僅為一跳的未知節(jié)點，將兩者的連通性轉(zhuǎn)化 為距離代替兩者的間距；對于距離錨節(jié)點為η跳的未知節(jié)點，從錨節(jié)點到未知節(jié)點的路徑 上的前η-1跳距離由跳數(shù)與最終平均每跳距離求出，最后一跳由未知節(jié)點與上一跳節(jié)點的 連通性轉(zhuǎn)化為距離代替兩者的間距。
8.根據(jù)權(quán)利1所述的一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，其 特征在于，所述步驟7具體為若未知節(jié)點接收到3個錨節(jié)點的信標(biāo)分組，則根據(jù)到各個錨 節(jié)點的跳段距離，利用三邊測量法求得自身坐標(biāo)。若錨節(jié)點信息多于3個，則先算得多個估 計位置，最后取平均作為未知節(jié)點的坐標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)中少量節(jié)點可能只收到一個或兩個錨節(jié)點 信標(biāo)分組，此時，以此錨節(jié)點的坐標(biāo)或者兩個錨節(jié)點的連線中點作為未知節(jié)點的估計位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于連通性的無需測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法，屬于嵌入式開發(fā)與無線通信的交叉領(lǐng)域。本發(fā)明充分利用網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，在保證定位需要的前提下離線計算出信息可控泛洪式傳播的限跳閾值，加權(quán)進一步精確平均每跳距離，并針對距錨節(jié)點僅為一跳的節(jié)點定位和路徑上最后一跳距離的估計均存在較大誤差的情況，利用節(jié)點間的連通信息進行改善，最后結(jié)合三邊測量法和質(zhì)心法實現(xiàn)未知節(jié)點的定位。該方法不需要添加任何硬件設(shè)備，無需節(jié)點間直接測距，屬于分布式定位，與DV-Hop相比，大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)通信量，并有效地提高了定位精度，適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有推廣應(yīng)用價值。
文檔編號H04W64/00GK101873691SQ20101019566
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者何友, 劉瑜, 田文飚, 衣曉, 鄧露 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院