基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的wsn定位方法
【專利摘要】為了降低定位誤差，提高定位精度，本發(fā)明深入研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位算法。在DV-Hop定位算法的基礎(chǔ)上提出了一種基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法。首先根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)校正值的誤差及錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)，對各錨節(jié)點(diǎn)的校正值歸一化加權(quán)處理，以優(yōu)化未知節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離。然后根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)，優(yōu)選參與定位計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)，以避免誤差積累和減少計(jì)算量。最后，對于不同錨節(jié)點(diǎn)組合計(jì)算所得的定位坐標(biāo)值進(jìn)行歸一化加權(quán)優(yōu)化，作為未知節(jié)點(diǎn)的最終定位坐標(biāo)。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明能夠充分利用錨節(jié)點(diǎn)信息，有效地降低節(jié)點(diǎn)平均定位誤差，提高定位覆蓋率。
【專利說明】基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法，具體是一種基于優(yōu)化未知節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的加權(quán)與優(yōu)選DV-Hop定位方法(WSDV-Hop)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)研究的很多領(lǐng)域,往往必須知道節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置才有應(yīng)用意義，在某些特殊應(yīng)用場合數(shù)據(jù)所處的位置比數(shù)據(jù)本身更具價(jià)值，比如火災(zāi)發(fā)生的位置、水位上升的水域以及軍事應(yīng)用領(lǐng)域等，所以節(jié)點(diǎn)定位研究是必不可缺的環(huán)節(jié)。而全球定位系統(tǒng)GPS由于價(jià)格、功耗及體積等方面的制約，很難完全應(yīng)用于WSN中。此外，一些已有的定位算法由于計(jì)算復(fù)雜度和需要相關(guān)硬件設(shè)備支持等原因，也不適用于WSN。因此，在資源受限的前提下，設(shè)計(jì)出高定位精度、計(jì)算量適中、無需額外硬件條件且適合實(shí)際WSN環(huán)境的節(jié)點(diǎn)定位方法具有現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]目前，WSN的主要定位方法中依據(jù)是否需要測量節(jié)點(diǎn)間實(shí)際的距離可分為基于測距的算法和基于非測距的算法。基于測距的定位算法首先通過額外的裝置測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，再計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，典型算法有:RSS1、T0A、TD0A、A0A等。基于非測距的定位算法只需要利用節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)等信息并加以簡單運(yùn)算就可以估計(jì)出節(jié)點(diǎn)間的距離，主要算法包括有質(zhì)心、凸規(guī)劃、DV-Hop, MDS-MAP等?；跍y距的算法總體上能取得較好的定位精度，但是所需成本、節(jié)點(diǎn)的能量消耗也會較大?；诜菧y據(jù)的算法依靠節(jié)點(diǎn)間的連通性進(jìn)行定位，計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)簡單但定位誤差較大。通過研究與改進(jìn)，不少已經(jīng)可以滿足WSN的定位需求，其中DV-Hop是最備受:關(guān)注的算法之一。
[0004]DV-Hop算法實(shí)現(xiàn)簡單，通過節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離、跳數(shù)進(jìn)行定位計(jì)算就可以得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，算法成本低，計(jì)算和通信開銷適中，對硬件要求較低，適用于分布式網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展性好。但是DV-Hop算法也依然存在一些不足之處，比如算法中未知節(jié)點(diǎn)僅利用離它最近的錨節(jié)點(diǎn)的校正值作為平均每跳距離，會使節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離和最終的定位計(jì)算產(chǎn)生較大的誤差；在定位計(jì)算時(shí)隨機(jī)選取的錨節(jié)點(diǎn)組合也會對定位精度造成較大的影響。
[0005]DV-Hop定位算法
[0006]DV-Hop算法的核心是利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離代替實(shí)際測量距離，而估計(jì)距離則是通過未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)和平均每跳距離相乘來得到；然后通過估計(jì)距離和錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)。DV-Hop算法由三個(gè)階段組成:
[0007]第一步:獲得節(jié)點(diǎn)間的最小跳數(shù)
[0008]錨節(jié)點(diǎn)以廣播的方式向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送包括跳數(shù)字段的自身位置信息元組，跳數(shù)字段的初值設(shè)為O。接收節(jié)點(diǎn)接收到該信息元組后將跳數(shù)加1，記錄下該錨節(jié)點(diǎn)的位置和跳數(shù)，并將該元組轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰居節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)來自同一錨節(jié)點(diǎn)的元組，則節(jié)點(diǎn)只保留跳數(shù)最小的元組信息。通過這種方法網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠記錄下自己到每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，并獲得錨節(jié)點(diǎn)的位置信息。
[0009]第二步:估算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離
[0010]假設(shè)錨節(jié)點(diǎn)總數(shù)為m，其中任一錨節(jié)點(diǎn)Ai在獲得網(wǎng)絡(luò)中其余錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及與它們間的最小跳數(shù)后，可計(jì)算自己的平均每跳距離Ci,也稱為網(wǎng)絡(luò)校正值:

【權(quán)利要求】
1.一種基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法，其特征在于，該方法包括三部分: (1).優(yōu)化平均每跳距離 未知節(jié)點(diǎn)可接收來自多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的校正值，然后對各校正值賦予不同的權(quán)值，權(quán)值大小由兩個(gè)因素決定，一是錨節(jié)點(diǎn)校正值誤差的大小，另一個(gè)是錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)；最后對各錨節(jié)點(diǎn)校正值歸一化加權(quán)處理，得到平均每跳距離； (2).優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn) 未知節(jié)點(diǎn)優(yōu)選出距離自己較近的一部分錨節(jié)點(diǎn)參與定位計(jì)算，使這些錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)值小于所有錨節(jié)點(diǎn)和該未知節(jié)點(diǎn)間的平均跳數(shù)； (3).優(yōu)化定位坐標(biāo)值 將通過不同錨節(jié)點(diǎn)組合計(jì)算得到的未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值都作為網(wǎng)絡(luò)中的候選坐標(biāo)，通過加權(quán)優(yōu)化計(jì)算出最優(yōu)的坐標(biāo)值；假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有η個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，優(yōu)選出的錨節(jié)點(diǎn)為m個(gè)，對于任一未知節(jié)點(diǎn)隊(duì)，u = 1,2,…n，在錨節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)抽取三個(gè)可產(chǎn)生的組合為0種，使用三邊測量法計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，記為Ek，k = \X-Xl，可作為Nu的候選定位坐標(biāo)；對每個(gè)候選坐標(biāo)，所賦予的權(quán)值大小根據(jù)其所采用的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與所求未知節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)之和來決定，跳數(shù)之和較小的賦予較大的權(quán)值，而對于跳數(shù)之和較大的則賦予較小的權(quán)值。
2.如權(quán)利要求1所述的基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法，其特征在于，優(yōu)化平均每跳距離的具體步驟如下: (11)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與各錨節(jié)點(diǎn)間的最小跳數(shù)； (12)錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的校正值及校正值誤差，并將校正值及其誤差信息在全網(wǎng)廣播； (13)未知節(jié)點(diǎn)接收錨節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，獲得距離錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，并根據(jù)校正值誤差大小和距錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)對各錨節(jié)點(diǎn)校正值歸一化加權(quán)優(yōu)化，作為平均每跳距離； 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有M個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，η個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)Nu(u = 1，2，...，!!)，由公式⑴可以得到錨節(jié)點(diǎn)Ai的校正值Ci ；
式中，(Xi, Yi)，(Xj, Yj)分別是錨節(jié)點(diǎn)Ai和Aj的坐標(biāo)軋是錨節(jié)點(diǎn)Ai和Aj之間的最小跳數(shù)； 由于兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)Ai和之間的實(shí)際距離為:
而錨節(jié)點(diǎn)Ai和Aj之間根據(jù)校正值得到的估算距離為:
Destij j = Ci Xhij (3) 那么錨節(jié)點(diǎn)Ai校正值的誤差為:
假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)Nu與錨節(jié)點(diǎn)Ai間的跳數(shù)記為hopu，i，那么可以賦予錨節(jié)點(diǎn)Ai校正值的權(quán)值為:
然后根據(jù)各錨節(jié)點(diǎn)校正值和相應(yīng)權(quán)值就可以加權(quán)計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)Nu的平均每跳距離:
通過歸一化加權(quán)處理，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的權(quán)值各不相同，離未知節(jié)點(diǎn)跳數(shù)越小且自身校正值誤差越小的錨節(jié)點(diǎn)賦予的權(quán)值越大，同時(shí)使各錨節(jié)點(diǎn)校正值的權(quán)值之和為I。
3.如權(quán)利要求2所述的基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法，其特征在于，優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的具體步驟如下: 先求出未知節(jié)點(diǎn)Nu距離所有錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)平均值；
當(dāng)某個(gè)錨節(jié)點(diǎn)Ai與未知節(jié)點(diǎn)Nu的跳數(shù)大于平均跳數(shù)時(shí)，即
舍去該錨節(jié)點(diǎn)，而其余未被舍棄的錨節(jié)點(diǎn)則可參與到定位計(jì)算，經(jīng)過優(yōu)選后的錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)記為m。
4.如權(quán)利要求3所述的基于優(yōu)化平均每跳距離和優(yōu)選錨節(jié)點(diǎn)的WSN定位方法，其特征在于，優(yōu)化定位坐標(biāo)值的具體步驟如下: 假設(shè)優(yōu)選后的錨節(jié)點(diǎn)記為AJr = 1,2,…，m);未知節(jié)點(diǎn)Nu經(jīng)過第一步求得平均每跳距離后，根據(jù)公式⑶與距離4的跳數(shù)相乘，獲得與錨節(jié)點(diǎn)4間的估計(jì)距離Destu-;由于每三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)組合共有Cl巾,那么利用這些錨節(jié)點(diǎn)組合，對估計(jì)距離Destu-采用三邊測量法計(jì)算，可得<個(gè)未知節(jié)點(diǎn)Nu的估計(jì)定位坐標(biāo)，記為Ek，其中?=1，2，…，C1I; 假設(shè)用來計(jì)算候選定位坐標(biāo)Ek的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)分別為hopphopp, hopq, (r, p, q = 1,2,…，m),記這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和為Sk, Sk =hopr+hopp+hopq,那么賦予候選定位坐標(biāo)Ek的權(quán)值為:
進(jìn)行歸一化加權(quán)處理后，每個(gè)候選定位坐標(biāo)的權(quán)值各不相同，賦予錨節(jié)點(diǎn)組合中與未知節(jié)點(diǎn)跳數(shù)和較小的那些候選坐標(biāo)值以較大的權(quán)值，同時(shí)保證權(quán)值之和為I ; 最后計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)； 根據(jù)每個(gè)候選定位坐標(biāo)值以及式(9)得到的相應(yīng)權(quán)值就可以計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo):
通過對候選定位坐標(biāo)值的加權(quán)修正使其可以更好地降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r的隨機(jī)性對節(jié)點(diǎn)定位產(chǎn)生的影響，降低定位誤差。
【文檔編號】H04W84/18GK104185272SQ201410369559
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】顧燕, 郭潔, 李旭杰, 王嫻玨, 季必曄 申請人:河海大學(xué)