一種面向低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的節(jié)點(diǎn)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通 信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)部署方式的不同，其測(cè)量結(jié)果會(huì) 有極大的誤差。為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)有效的定位整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在何時(shí)何地發(fā)生了什么具體事件， 同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)外部目標(biāo)的精準(zhǔn)定位和持續(xù)追蹤，一種精確高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)定位方法就顯得非常重要。因此，如何改變傳感器節(jié)點(diǎn)部署方式，提高測(cè)量效果，降低 資源浪費(fèi)就成為了當(dāng)前急需解決的技術(shù)難題。
[0003] 節(jié)點(diǎn)定位是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中重要的輔助支撐技術(shù)，基于跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)定 位方法是常用的低成本解決方案。MDUE(Multi-hop Distance Unbiased Estimation)算法 是在DV-hop算法和無(wú)偏估計(jì)模型的基礎(chǔ)上提出的一種近似無(wú)偏估計(jì)的DV-hop節(jié)點(diǎn)定位算 法。這個(gè)定位算法需要在網(wǎng)絡(luò)中部署一些位置信息已知的節(jié)點(diǎn)，稱為錨節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中其他 位置信息未知的節(jié)點(diǎn)稱為普通節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。MDUE算法雖然在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的情況下定 位效很好，但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的情況下效果卻不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種面向低密度無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法，該方法能夠在節(jié)點(diǎn)密度較低的情況下能夠有效地提高節(jié)點(diǎn)定 位精度。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0006] 一種面向低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署若干位置信息已知的節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)，采用基 于多跳距離無(wú)偏估計(jì)的定位算法估算節(jié)點(diǎn)位置，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初次 定位；
[0008] 步驟2:計(jì)算各個(gè)非錨節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，即節(jié)點(diǎn)密度，并計(jì)算出節(jié)點(diǎn)密度 的最大值；
[0009] 步驟3:選取與步驟2中的節(jié)點(diǎn)密度最大值相等的節(jié)點(diǎn)作為偽錨節(jié)點(diǎn)，選取數(shù)量與 步驟1原有的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同；
[0010] 步驟4:采用基于多跳距離無(wú)偏估計(jì)的定位算法，利用步驟1中的錨節(jié)點(diǎn)和步驟3 中的偽錨節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次定位，完成該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點(diǎn)定位。
[0011] 步驟1對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初次定位，具體包括以下步驟：
[0012] 1)獲知各節(jié)點(diǎn)跳數(shù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離
[0013] 使用距離矢量交換協(xié)議，錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)受控范圍廣播其坐標(biāo)位置，同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)獲 得自身到錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息，將節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的跳數(shù)記為，節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離通過(guò)下 式計(jì)算?
[0015] 其中，（X;，y;)，（x_j，yj分別為錨節(jié)點(diǎn)i和j的坐標(biāo)；[0016] 2)利用無(wú)偏估計(jì)模型計(jì)算參數(shù)HopsizeJPa;
[0014]
[0017]
[0018] 基于多跳距離無(wú)偏估計(jì)的定位算法利用m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信息計(jì)算無(wú)偏估計(jì)模型；其 中，1-跳節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的期望距離僅由通信半徑R決定，計(jì)算距離錨節(jié)點(diǎn)i的平均每跳距離 HopsizeJP2-跳節(jié)點(diǎn)到該錨節(jié)點(diǎn)的期望距離ai，對(duì)于每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，都能夠得到一個(gè)含有m 個(gè)方程的線性方程組：
[0019] (!"=Hopsize;X〇1;廠2) +a;
[0020] 上式中：屯為錨節(jié)點(diǎn)i，j間的實(shí)際距離；Hopsize為錨節(jié)點(diǎn)i的平均每跳距離； ^為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的跳數(shù)；a2-跳節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)i的期望距離；
[0021] 將方程組以矩陣的形式表示如下：
[0022] Ax=b；
[0023]
[0024] 采用最小二乘法求解該方程組，得到所有錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離HopsizeJP 2-跳節(jié)點(diǎn)到該錨節(jié)點(diǎn)的期望距離a1;
[0025] 3)計(jì)算其余未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離
[0026] 利用步驟2)中得到的m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的HopsizeJPa 計(jì)算通信半徑R的最終估計(jì)
值：
[0027]
[0028] 對(duì)于1-跳的待定位節(jié)點(diǎn)U，它到錨節(jié)點(diǎn)i的估計(jì)距離為：
[0029]
[0030] 對(duì)于2-跳的待定位節(jié)點(diǎn)u，計(jì)算到錨節(jié)點(diǎn)i的估計(jì)距離為：
[0031]
[0032] 上式中：Hopwidth~Hopsize」
[0033] r2= R g^+Hopsize-
[0034] 對(duì)于跳數(shù)大于2的待定位節(jié)點(diǎn)u到錨節(jié)點(diǎn)i的估計(jì)距離為：
[0035] diu= Hopsize ; X(hiu_2)+ a;
[0036] 4)節(jié)點(diǎn)定位
[0037] 得到待定位節(jié)點(diǎn)u與各錨節(jié)點(diǎn)i的估計(jì)距離之后，對(duì)每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)均能夠得到如下 方程：
[0038] diu2= (x i-xf+h-y)2
[0039]上式中：diu為錨節(jié)點(diǎn)i到待定位節(jié)點(diǎn)u的估計(jì)距離；(xiA)，（x，y)為錨節(jié)點(diǎn)i和 待定位節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)；
[0040] 在收到m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信息之后，可利用第m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信息來(lái)求解方程組，原方程 組化為：
[0041 ] diu2+ (xm_x) 2+ (ym_y)2 = (x「x) 2+ (y「y) 2+dim2
[0042] 用矩陣的形式表示如下：
[0043] Ax = b
[0044]式中：
[0045]
[0046]
[0047] 將此方程的最小二乘解作為節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置為：
[0048] xLS = (A TA) Tb〇
[0049] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0050] 本發(fā)明公開的面向低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法，以基于跳數(shù)的距離無(wú) 偏估計(jì)節(jié)點(diǎn)定位算法為核心，以降低總體跳數(shù)原則引入等量偽錨節(jié)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行 二次節(jié)點(diǎn)定位。通過(guò)引入偽錨節(jié)點(diǎn)和二次定位提高了低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位精度， 避免了低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)少，錨節(jié)點(diǎn)信息不足的缺點(diǎn)。通過(guò)本發(fā)明的仿 真結(jié)果顯示，在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于300時(shí)，本發(fā)明的定位精度優(yōu)于現(xiàn)有的技術(shù)，特別是在節(jié)點(diǎn)數(shù)為 100時(shí)，定位精度提高了 70%。
【附圖說(shuō)明】
[0051]圖1為本發(fā)明方法的定位技術(shù)流程圖；
[0052] 圖2為基于多跳距離無(wú)偏估計(jì)節(jié)點(diǎn)定位算法的流程圖；
[0053] 圖3為節(jié)點(diǎn)數(shù)是200,錨節(jié)點(diǎn)數(shù)是4時(shí)的初次定位的節(jié)點(diǎn)分布圖；
[0054] 圖4為節(jié)點(diǎn)數(shù)是200,錨節(jié)點(diǎn)數(shù)是4時(shí)，通過(guò)引入偽錨節(jié)點(diǎn)二次定位后的節(jié)點(diǎn)分布 圖；
[0055] 圖5為節(jié)點(diǎn)數(shù)取100~400,錨節(jié)點(diǎn)比例是4 %時(shí)，本發(fā)明與MDUE、DV-hop、 DV-hop(LS)算法的歸一化均方根誤差比較圖
【具體實(shí)施方式】
[0056] 為了使本發(fā)明的技術(shù)方案與優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例， 對(duì)本發(fā)明的低密度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)注意的是，描 述的內(nèi)容只是用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，并不局限于這一種實(shí)施例。
[0057] 本發(fā)明涉及的技術(shù)主要解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少（低于400)時(shí)定位效 果較差的問(wèn)題。具體方法，包括以下步驟：
[0058] 步驟1:部署200個(gè)節(jié)點(diǎn)和4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，采用基于多跳距離無(wú)偏估計(jì)的定位算法 (MDUE)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中得節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初次定位。具體步驟參見圖2流程圖所示：首先廣播所有錨節(jié) 點(diǎn)自身的坐標(biāo)信息，計(jì)算平均每跳距離Hopsize;然后通過(guò)接收錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，計(jì)算待 定位節(jié)點(diǎn)距離錨節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)定位算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。初次定位的節(jié)點(diǎn)分布圖如圖3 所示。
[0059] 具體包括以下步驟：
[0060] 1)獲知各節(jié)點(diǎn)跳數(shù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離
[0061] 使用距離矢量交換協(xié)議，錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)受控范圍廣播其坐標(biāo)位置，同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)獲 得自身到錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息，將節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的跳數(shù)記為，節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離通過(guò)下 式計(jì)算：
[0062]
[0063] 其中，（X;，y;)，（x_j，yj分別為錨節(jié)點(diǎn)i和j的坐標(biāo)；
[0064] 2)利用無(wú)偏估計(jì)模型計(jì)算參數(shù)HopsizeJPa;