專利名稱：一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、 分布式信息處理技術(shù)等。近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS :Micro-Electro- Mechanical Systems)、低功耗高集成度電子器件及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致低成本、低功耗、微體積、多功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備的出現(xiàn)。這些微型傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感部件、數(shù)據(jù)處理部件、通信部件和電源部件組成。成千上萬這樣的微型傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織網(wǎng)的形式構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息還可以提高路由效率，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，向部署者報(bào)告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲?。而人工部署和為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝GPS接收器都會(huì)受到成本、功耗、擴(kuò)展性等問題的限制，甚至在某些場(chǎng)合可能根本無法實(shí)現(xiàn)，因此必須采用一定的機(jī)制與算法實(shí)現(xiàn)WSN的自身定位。傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的研究大致經(jīng)過兩個(gè)階段。第一階段主要偏重于緊密耦合型和基于基礎(chǔ)設(shè)施的定位系統(tǒng)，代表性的研究成果包括RADAR，Active Bat, Active Badge,RadioCamera,Active Office,Easy Living,SpotON,HiBall Tracke, Xeror 的 ParcTAB，佐治亞理工學(xué)院的 Smart Floor, Smart Rooms，3D_iD，WhereNet 等。第二階段是對(duì)于松散耦合型和無須基礎(chǔ)設(shè)施的定位技術(shù)的研究，目前已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域一個(gè)不小的熱點(diǎn)，代表性的研究成果包括Cricket及AHLos等?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位技術(shù)可以分為兩種測(cè)距和非測(cè)距定位方法。測(cè)距定位方法需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位，并利用節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。這種定位方法精度較高，但對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件要求很高，不適用于低功耗、低成本的應(yīng)用。非測(cè)距定位方法利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置，不需要額外的硬件支持，但是定位精度不高，同時(shí)容易受外界環(huán)境的影響，算法穩(wěn)定性不高。有效提高算法精確度及降低算法復(fù)雜度，是現(xiàn)在的研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有的定位技術(shù)提供一種定位精度更高且運(yùn)算復(fù)雜度低的非測(cè)距的一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法。本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案為采用分布式計(jì)算方法，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部分位置確定的錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中廣播分組信息，為直接帶你根據(jù)自身接收到的信息，取出離其最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，利用這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)形成距離方程，將三CN 102547977 A說明書2/4 頁
個(gè)方程兩兩相比，構(gòu)成一個(gè)非線性方程組，解出該非線性方程組，取所有實(shí)數(shù)解的質(zhì)心，作為未知節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)位置。本發(fā)明的具體內(nèi)容為在無線傳感網(wǎng)中隨機(jī)分布N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中有M個(gè)節(jié)點(diǎn)是錨節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播其自身分組信息，在其通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠接收到該廣播信號(hào)。利用三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成跳數(shù)比非線性方程組，進(jìn)而對(duì)多位未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式定位，有效提高了定位精度，降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗。本發(fā)明的方法步驟如下(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑相同，信號(hào)以圓形的方式進(jìn)行傳播；⑵網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)已知自身的位置信息；(3)每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中廣播自身位置信息的分組，分組信息中包括該錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和ID ； (4)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均保存一個(gè)跳數(shù)表
. τ:=ι·Γ= ορ:},該表中^表示錨節(jié)點(diǎn)i的橫坐標(biāo)Λ表示錨節(jié)點(diǎn)i的縱坐標(biāo)巧為錨節(jié)點(diǎn)
i到此節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，初始化為0 ；^每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息后，將跳
數(shù)表中的Aopi的值加1，并轉(zhuǎn)發(fā)給其他鄰居節(jié)點(diǎn)；(6)所有節(jié)點(diǎn)記錄到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小
跳數(shù)，忽略來自同一錨節(jié)點(diǎn)的其他跳數(shù)的分組；(7)所有節(jié)點(diǎn)只接收限定跳數(shù)內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息，若超過限定跳數(shù)，則忽略該節(jié)點(diǎn)的信息；(8)未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息，選取離其最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，利用未知節(jié)點(diǎn)到這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)之比構(gòu)成非線性方程組；(9)解出非線性方程組，取所有實(shí)數(shù)解的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)位置。步驟(1)中的網(wǎng)絡(luò)模型是理想化的，所有節(jié)點(diǎn)的通信能力均相同，網(wǎng)絡(luò)是均勻的。步驟⑵和(3)具體為錨節(jié)點(diǎn)通過GPS或是人工部署，能自動(dòng)獲取自身的位置信息，作為網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)定位的參考節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播包含其位置信息和ID的分組信息。步驟⑷、(5)具體為所有的節(jié)點(diǎn)都儲(chǔ)存一個(gè)跳數(shù)表，該表中包含所有錨節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)及該錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到某錨節(jié)點(diǎn)的信息后，將表中的AVi的
值加1，然后將該表轉(zhuǎn)發(fā)給別的鄰居節(jié)點(diǎn)，這樣使得所有節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)表能夠更新。步驟(6)和(7)具體為每個(gè)節(jié)點(diǎn)只保存到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小的跳數(shù)，忽略來自同一錨節(jié)點(diǎn)廣播的的其他跳數(shù)的分組信息。若節(jié)點(diǎn)接收到的錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息中跳數(shù)值超過了一個(gè)限定值，則節(jié)點(diǎn)將忽略該錨節(jié)點(diǎn)的信息，不再將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。步驟(8)和(9)具體為未知節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息后，取出三個(gè)離其最近的錨節(jié)點(diǎn)，利用未知節(jié)點(diǎn)到這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)之比構(gòu)建方程組，該方程組的實(shí)數(shù)解的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。若方程組無解，則取兩曲線上距離最短的兩個(gè)點(diǎn)的中點(diǎn)作為未知節(jié)點(diǎn)的估算位置。本發(fā)明提出的定位方法約束了節(jié)點(diǎn)保存的信息的通信距離，降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗，提高了節(jié)點(diǎn)定位精度。當(dāng)通信距離較大時(shí)，算法對(duì)錨節(jié)點(diǎn)密度的要求基本不變，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低功耗和穩(wěn)定性的要求。


圖1為本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)方式中步驟1的流程圖。
圖2為本發(fā)明由三個(gè)最近的錨節(jié)點(diǎn)定位某未知節(jié)點(diǎn)。圖3為本發(fā)明未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述傳感網(wǎng)定位方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)。1、網(wǎng)絡(luò)初始化，在方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中有M個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)獲取到自身位置信息后，向網(wǎng)絡(luò)廣播自身分組信息。節(jié)點(diǎn)接收到跳數(shù)大于限定跳數(shù)Threshold的節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，將拋棄該信息的傳遞，即節(jié)點(diǎn)只能接收限定跳數(shù)之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的信息，具體流程如圖1所示。未知節(jié)點(diǎn)保存到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)表
[-T11Vlt^opJ、 (x:= X1 = Iiop1}、…、{x,i= Vjy,: hopM}；.其中 hop. < TnmshoM ° 對(duì)某未知節(jié)
點(diǎn)I/,設(shè)其平均每跳距離為Η< ^。比較未知節(jié)點(diǎn)保存的Aqpf,取其中最小的三個(gè)，形成一組錨節(jié)點(diǎn)組。該未知節(jié)點(diǎn)到任一錨節(jié)點(diǎn)S·的距離為Aep-X^pStef,其中為該未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)盧m的跳數(shù)。如圖2所示，現(xiàn)假設(shè)有四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)禺、S3、^和S4 ,其中離未知節(jié)點(diǎn)I/最近的錨節(jié)點(diǎn)禺、晃和53，其坐標(biāo)分別為( ^Λ)、(W2)和(W5)未知節(jié)點(diǎn)I/到錨丨1I點(diǎn)S1、S2和S5的跳數(shù)分別為Aqpl、Aop2和fcqp,。則對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)爲(wèi)、禺和&來說，分別滿足以下三個(gè)公式
權(quán)利要求
1.一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法，其特征及方法步驟如下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑相同，信號(hào)以圓形的方式進(jìn)行傳播；網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)已知自身的位置信息；每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中廣播自身位置信息的分組信息，分組信息中包括該錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和ID ；網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均保存一個(gè)跳數(shù)表 ( ,Jfi,AopJ,該表中巧表示錨節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)；Jff表示錨節(jié)點(diǎn) 的縱坐標(biāo)；Aqpi為錨節(jié)點(diǎn)i 到此節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，初始化為O ；每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息后，將跳數(shù)表中的λ 巧的值加1，并轉(zhuǎn)發(fā)給其他鄰居節(jié)點(diǎn)；所有節(jié)點(diǎn)記錄到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，忽略來自同一錨節(jié)點(diǎn)的其他跳數(shù)的分組；所有節(jié)點(diǎn)只接收限定跳數(shù)內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息，若超過限定跳數(shù)，則忽略該節(jié)點(diǎn)的信息；未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息，選取離其最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，利用未知節(jié)點(diǎn)到這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)之比構(gòu)成非線性方程組；解出非線性方程組，取所有實(shí)數(shù)解的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法，其特征在于步驟(1)中的網(wǎng)絡(luò)模型是理想化的，所有節(jié)點(diǎn)的通信能力均相同，網(wǎng)絡(luò)是均勻的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法，其特征在于步驟(2)和 (3)具體為錨節(jié)點(diǎn)通過GPS或是人工部署，能自動(dòng)獲取自身的位置信息，作為網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)定位的參考節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播包含其位置信息和ID的分組信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法，其特征在于步驟(4)、(5) 具體為所有的節(jié)點(diǎn)都儲(chǔ)存一個(gè)跳數(shù)表，該表中包含所有錨節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)及該錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到某錨節(jié)點(diǎn)的信息后，將表中的&IPi的值加1，然后將該表轉(zhuǎn)發(fā)給別的鄰居節(jié)點(diǎn)，這樣使得所有節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)表能夠更新。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法，其特征在于步驟(6)和 (7)具體為每個(gè)節(jié)點(diǎn)只保存到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小的跳數(shù)，忽略來自同一錨節(jié)點(diǎn)廣播的的其他跳數(shù)的分組信息，若節(jié)點(diǎn)接收到的錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息中跳數(shù)值超過了一個(gè)限定值，則節(jié)點(diǎn)將忽略該錨節(jié)點(diǎn)的信息，不再將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法，其特征在于步驟(8)和 (9)具體為未知節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)廣播的分組信息后，取出三個(gè)離其最近的錨節(jié)點(diǎn)， 利用未知節(jié)點(diǎn)到這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)之比構(gòu)建方程組，該方程組的實(shí)數(shù)解的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，若方程組無解，則取兩曲線上距離最短的兩個(gè)點(diǎn)的中點(diǎn)作為未知節(jié)點(diǎn)的估算位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于跳數(shù)的傳感網(wǎng)定位方法。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離相同，節(jié)點(diǎn)只接收限定跳數(shù)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)的信息，并利用不同錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)之比構(gòu)建非線性方程組，來實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位。本發(fā)明采用分布式計(jì)算和處理，減少了節(jié)點(diǎn)信息交換次數(shù)，從而降低了信息沖突及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗，同時(shí)提高了未知節(jié)點(diǎn)的定位精度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式高精度定位的要求。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102547977SQ20111044544
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者向滿天, 曾長(zhǎng)清, 羅建平, 羅湘云, 虞貴財(cái), 鄒文生, 龍承志 申請(qǐng)人:南昌大學(xué)