專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有自組織特征的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中的節(jié)點(diǎn)自身定位方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、無(wú)線(xiàn)通信和數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步孕育了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)至目標(biāo)區(qū)域，WSN將改變我們與客觀世界的交互方式。對(duì)于許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，如森林火災(zāi)預(yù)警、水質(zhì)檢測(cè)等，節(jié)點(diǎn)的位置信息顯得至關(guān)重要，因?yàn)闆](méi)有位置信息，這些節(jié)點(diǎn)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將變得毫無(wú)意義。根據(jù)定位過(guò)程中是否使用了距離信息，定位算法被分為基于測(cè)距的(Range-Based)定位算法和距離無(wú)關(guān)的(Range-Free)定位算法。Range-Based定位算法主要包括RSSI、T0A、TD0A和AOA。Range-Based定位機(jī)制大體上可以獲得比較高的定位精度，但要求節(jié)點(diǎn)需要額外的硬件，增大了節(jié)點(diǎn)的成本和功耗。同時(shí)NL0S(Non Line of Sight),多徑衰落等因素也會(huì)影響Range-Based定位機(jī)制的精度。所以，Range-Based定位機(jī)制雖然在定位精度上有可取之處，但并不適用于低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。Range-Free定位算法主要包括質(zhì)心算法、DV-Hop、凸規(guī)劃、Amorphous、MDS-MAP和APIT。質(zhì)心算法思想較為簡(jiǎn)單，算法的通信開(kāi)銷(xiāo)較小，定位精度較低，要獲得較高的定位精度必須提高信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度。DV-Hop定位算法依賴(lài)于節(jié)點(diǎn)之間的信標(biāo)信息交換來(lái)實(shí)現(xiàn)定位估算，對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件要求低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)在于利用跳段距離代替直線(xiàn)距離存在一定的誤差。凸規(guī)劃是一種集中式定位算法，要求信標(biāo)節(jié)點(diǎn)必須部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣。相對(duì)于DV-Hop算法，Amorphous定位算法利用節(jié)點(diǎn)的通信半徑作為平均每跳段的距離，定位誤差增大，改進(jìn)的Amorphous定位算法需要預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)的平均連通度，因此網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性差，對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的密度要求高。MDS-MAP算法適用于網(wǎng)絡(luò)連通度較大的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)錨節(jié)點(diǎn)密度要求低，但該算法計(jì)算量大，耗能多，當(dāng)節(jié)點(diǎn)連通度較小的時(shí)候，算法定位誤差急劇增大。在無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播模式不規(guī)則和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置的情況下，APIT算法定位精度高，性能穩(wěn)定，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通度提出比較高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述諸多技術(shù)的缺點(diǎn)，在不增加額外硬設(shè)備的前提下，充分挖掘節(jié)點(diǎn)所處的局部環(huán)境的拓?fù)湫畔?，利用鄰居?jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息以及參考節(jié)點(diǎn)的輔助計(jì)算，提供了一種定位精度高、成本低的用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法。本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，該方法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在區(qū)域中，所有節(jié)點(diǎn)可知各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置以及到各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；記未知節(jié)點(diǎn)為U，未知節(jié)點(diǎn)u選擇離自己最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，該參考節(jié)點(diǎn)記為j，任意選擇除j之外的一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，記為i，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)的不同，參考節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)分為三類(lèi)n-l跳節(jié)點(diǎn)，η跳節(jié)點(diǎn)，η+1跳節(jié)點(diǎn)，其中η是參考節(jié)點(diǎn)j到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)；這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)又將參考節(jié)點(diǎn)j的通信范圍分為三個(gè)區(qū)域n-l跳區(qū)域，η跳區(qū)域，η+1跳區(qū)域，三個(gè)區(qū)域的面積與這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比；根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)u的鄰居節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)的不同，未知節(jié)點(diǎn)u的鄰居節(jié)點(diǎn)也分為三類(lèi)h_l跳節(jié)點(diǎn)，h跳節(jié)點(diǎn)，h+Ι跳節(jié)點(diǎn)，其中h是未知節(jié)點(diǎn)u到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)；這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)又將未知節(jié)點(diǎn)u的通信范圍分為三個(gè)區(qū)域h-l跳區(qū)域，h跳區(qū)域，h+Ι跳區(qū)域，三個(gè)區(qū)域的面積與這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比；由兩圓相交區(qū)域的面積計(jì)算公式以及n-1跳區(qū)域面積，η跳區(qū)域面積，η+1跳區(qū)域面積計(jì)算出n-1跳區(qū)域，η跳區(qū)域，η+1跳區(qū)域間的邊界；通過(guò)分析信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的距離的概率密度函數(shù)計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的平均距離；然后由n-1跳區(qū)域，η跳區(qū)域，η+1跳區(qū)域之間的邊界值計(jì)算出平均每跳距離，進(jìn)而由平均每跳距離、η值、h值以及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的平均距離計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到h跳區(qū)域的平均距離；以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到h跳區(qū)域的平均距離作為初始值，使用二分法迭代計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到未知節(jié)點(diǎn)u的精確距離。使用上述方法求得未知節(jié)點(diǎn)u到其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)求得未知節(jié)點(diǎn)u到三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離之后，通過(guò)解超定方程就可以計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)u的位置。上述方法中，n-1跳區(qū)域、η跳區(qū)域、η+1跳區(qū)域的面積Bn+ Bn, Βη+1計(jì)算公式分別為
權(quán)利要求
1.一種用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在區(qū)域中，所有節(jié)點(diǎn)可知各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置以及到各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；記未知節(jié)點(diǎn)為u，未知節(jié)點(diǎn)u選擇離自己最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，該參考節(jié)點(diǎn)記為j，任意選擇除j之外的一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，記為i，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)的不同，參考節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)分為三類(lèi)n-l跳節(jié)點(diǎn)，η跳節(jié)點(diǎn)，η+1跳節(jié)點(diǎn)，其中η是參考節(jié)點(diǎn)j到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)；這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)又將參考節(jié)點(diǎn)j的通信范圍分為三個(gè)區(qū)域n-l跳區(qū)域，η跳區(qū)域，η+1跳區(qū)域，三個(gè)區(qū)域的面積與這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比；根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)u的鄰居節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)的不同，未知節(jié)點(diǎn)u的鄰居節(jié)點(diǎn)也分為三類(lèi)h-l跳節(jié)點(diǎn)，h跳節(jié)點(diǎn)，h+1跳節(jié)點(diǎn)，其中h是未知節(jié)點(diǎn)u到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)；這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)又將未知節(jié)點(diǎn)u的通信范圍分為三個(gè)區(qū)域h-l跳區(qū)域，h跳區(qū)域，h+Ι跳區(qū)域，三個(gè)區(qū)域的面積與這三類(lèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)成正比；由兩圓相交區(qū)域的面積計(jì)算公式以及n-1跳區(qū)域面積、η跳區(qū)域面積、η+1跳區(qū)域面積計(jì)算出n-1跳區(qū)域、η跳區(qū)域和η+1跳區(qū)域間的邊界；通過(guò)分析信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的距離的概率密度函數(shù)計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的平均距離；然后由n-1跳區(qū)域，η跳區(qū)域，η+1跳區(qū)域之間的邊界值計(jì)算出平均每跳距離，進(jìn)而由平均每跳距離、η值、h值以及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的平均距離計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到h跳區(qū)域的平均距離；以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到h跳區(qū)域的平均距離作為初始值，使用二分法迭代計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到未知節(jié)點(diǎn)u的精確距離；使用上述步驟求得未知節(jié)點(diǎn)u到其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)求得未知節(jié)點(diǎn)u到三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離之后，通過(guò)解超定方程就可以計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)u的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于，n-1跳區(qū)域、η跳區(qū)域、η+1跳區(qū)域的面積By、Βη、Βη+1計(jì)算公式分別為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域的平均距離的計(jì)算方法如下假設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i到η跳區(qū)域內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，L是個(gè)隨機(jī)值，任意給定一個(gè)距離參考值1，設(shè)η跳區(qū)域處于1范圍內(nèi)的區(qū)域的面積是Bin，則L小于1的概率由下式求得
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，其特征在于，h-Ι跳區(qū)域、h跳區(qū)域、h+Ι跳區(qū)域的面積AnYApAlri計(jì)算公式分別為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法，該方法包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布在區(qū)域中，所有節(jié)點(diǎn)獲得各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置以及到各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)后，未知節(jié)點(diǎn)選擇最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)；根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)到某信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息，以及未知節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)到該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息，計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的平均距離；使用二分迭代法計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離。獲得未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離后就能確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。本發(fā)明充分利用節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息，建立信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的平均距離之間的關(guān)系；在不增加硬件設(shè)備的情況下，極大地提高了定位精度。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102395193SQ20111017997
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者張新平, 胡斌杰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)