專利名稱：水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其涉及ー種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位方法。
背景技術(shù)：
水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UnderwaterWireless Sensor Networks,簡(jiǎn)稱UWSNs)是針對(duì)水下環(huán)境的應(yīng)用提出的。UWSNs能夠?yàn)榇龠M(jìn)海洋環(huán)境管理、資源保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、海洋工程、海上生產(chǎn)作業(yè)和海洋軍事活動(dòng)等提供更好的技術(shù)支持和信息平臺(tái)，因此水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的應(yīng)用前景。大多數(shù)基于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用都與節(jié)點(diǎn)所在的位置相關(guān)聯(lián)，要實(shí)施這些應(yīng)用，要求網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置唯一確定，確定節(jié)點(diǎn)位置具有以下重要意義第一、數(shù)據(jù)必須有位置信息和時(shí)間信息標(biāo)記，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)才有意義；第二、用于基于地理信息的路由協(xié)議；第三、用于對(duì)水下目標(biāo)的檢測(cè)、定位及跟蹤此類應(yīng)用；第四、用于優(yōu)化介質(zhì)訪問協(xié)議。由于節(jié)點(diǎn)本身的能量、計(jì)算能力及存儲(chǔ)能力的限制，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位面臨著特有的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)定位信息的準(zhǔn)確獲取是完成大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位服務(wù)的ー個(gè)關(guān)鍵問題所在，于是如何簡(jiǎn)單有效并且準(zhǔn)確地獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的精確位置信息是目前急需解決的關(guān)鍵問題。UWSNs與有著相同特征的大量節(jié)點(diǎn)和有限的資源等特征的陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)TffSNs (Terrestrial Wireless Sensor Networks)有較大區(qū)別首先,無線電射頻(RadioFrequency, RF)通信方式和光傳播方式不適合于水下環(huán)境的通信傳播(高頻率的RF衰減 過快，光在水中會(huì)散射、折射、反射等)，取而代之的是聲波(acoustic)通信(聲波衰減很慢，但是由于聲速低，導(dǎo)致聲波信道有較大的傳播延遲、低帶寬和高錯(cuò)誤率等特點(diǎn))；其次，傳感器節(jié)點(diǎn)因?yàn)樗骰蚱渌蛩氐挠绊懚a(chǎn)生移動(dòng)，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化，所以對(duì)水下節(jié)點(diǎn)的定位是非常必要的，并且水下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也需要確定大量節(jié)點(diǎn)的范圍，但由于水下聲傳播特性和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，導(dǎo)致在精度或可擴(kuò)展性等方面的研究有巨大的挑戰(zhàn)；最后，水下環(huán)境可被視為是三維空間環(huán)境，容易受到海洋環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小等諸多因素影響。因此，傳統(tǒng)的TWSNs定位方案由于其局限性而無法應(yīng)用到UWSNs的定位中；另外，由于水下節(jié)點(diǎn)的位置會(huì)因?yàn)楦鞣N因素而不斷改變，所以設(shè)計(jì)的定位方案必須周期性運(yùn)行來更新節(jié)點(diǎn)的位置，這樣也増加了網(wǎng)絡(luò)的通信開銷。目前大多數(shù)的研究是為小規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的定位方案，有些為大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的定位方案沒有完全考慮累積誤差對(duì)定位精度的影響，這些方案因其較慢的運(yùn)行速度和很高的通信開銷而不能很好的在大規(guī)模UWSNs中應(yīng)用。根據(jù)四邊測(cè)量法，普通節(jié)點(diǎn)已知四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及到這些節(jié)點(diǎn)的距離，分別為(X1, Y1, Z1)、(x2, y2, z2)、(x3, y3, z3)、(x4, y4, z4)和(^、“も,普通節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x, y, z),于是有
權(quán)利要求
1.水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)參考節(jié)點(diǎn)和升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)周期性廣播發(fā)送包含自身位置的信標(biāo)信息； (2)普通節(jié)點(diǎn)接收參考節(jié)點(diǎn)和升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)信息，記普通節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)送信標(biāo)信息的一跳參考節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m，普通節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)送信標(biāo)信息的一跳升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為k ； (3)對(duì)任ー普通節(jié)點(diǎn)，當(dāng)m> 4吋，根據(jù)四邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、定位誤差δ和信任值η ;若信任值η大于閾值K，則該普通節(jié)點(diǎn)定位成功，成為升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)，否則定位失敗； (4)對(duì)任ー普通節(jié)點(diǎn)，當(dāng)O< m < 4，且m+k≤4時(shí)，根據(jù)四邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、定位誤差S和信任值H ;若信任值H大于閾值K，則該普通節(jié)點(diǎn)定位成功，成為升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)，否則定位失?。? (5)對(duì)任ー普通節(jié)點(diǎn)，當(dāng)m=3且k=0時(shí),該普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信息R1,若該節(jié)點(diǎn)存在一跳位置已知的普通節(jié)點(diǎn)，接收到此定位請(qǐng)求信息R1的兩跳參考節(jié)點(diǎn)和一跳位置已知的普通節(jié)點(diǎn)反饋包含自身位置的信息給該普通節(jié)點(diǎn)，根據(jù)三維歐氏距離估計(jì)計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)到兩跳參考節(jié)點(diǎn)的歐氏距離，根據(jù)四邊測(cè)量法計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)的位置； (6)對(duì)任ー普通節(jié)點(diǎn)，當(dāng)m=3且k=0，且該普通節(jié)點(diǎn)不存在一跳位置已知的普通節(jié)點(diǎn)吋，或者當(dāng)m+k≤3且m≤I吋，記該普通節(jié)點(diǎn)的兩跳參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n，若n≤4- (m+k)，該普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信息R2，根據(jù)DV-Hop算法估計(jì)該普通節(jié)點(diǎn)到兩跳參考節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)四邊測(cè)量法計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)的位置； 其中，一跳參考節(jié)點(diǎn)為該普通節(jié)點(diǎn)ー跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)，兩跳參考節(jié)點(diǎn)為該普通節(jié)點(diǎn)一跳參考節(jié)點(diǎn)的鄰居參考節(jié)點(diǎn)，一跳升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)為該普通節(jié)點(diǎn)ー跳范圍內(nèi)成功定位的普通節(jié)點(diǎn)，一跳位置已知的普通節(jié)點(diǎn)為該普通節(jié)點(diǎn)ー跳范圍內(nèi)位置已求出但信任值小于閾值K的普通節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述步驟(4)中，選取C1值最大的(4-m)個(gè)ー跳升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)參與普通節(jié)點(diǎn)位置的計(jì)算，C1值的計(jì)算公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述步驟(5)具體包括如下步驟 (5-1)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信息R1，三個(gè)ー跳參考節(jié)點(diǎn)將該定位請(qǐng)求信息R1傳遞給所有兩跳參考節(jié)點(diǎn)，接收到此定位請(qǐng)求信息R1的兩跳參考節(jié)點(diǎn)和一跳位置已知的普通節(jié)點(diǎn)反饋包含自身位置的信息給該普通節(jié)點(diǎn)； (5-2)根據(jù)三個(gè)一跳參考節(jié)點(diǎn)確定該普通節(jié)點(diǎn)的兩種可能位置，利用兩跳參考節(jié)點(diǎn)與該普通節(jié)點(diǎn)不能直接通信的特性以及ー跳位置已知的普通節(jié)點(diǎn)確定該普通節(jié)點(diǎn)的位置唯一性；(5-3)選擇ー個(gè)兩跳參考節(jié)點(diǎn)，計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)到該兩跳節(jié)點(diǎn)的歐氏距離，利用三個(gè)ー跳參考節(jié)點(diǎn)、選定的一個(gè)兩跳參考節(jié)點(diǎn)以及這四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與該普通節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)四邊測(cè)量法計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、定位誤差δ和信任值η ;若信任值η大于閾值K，則該普通節(jié)點(diǎn)定位成功，成為升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)，否則定位失敗。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述步驟(6)具體包括如下步驟 (6-1)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信息R2,首先一跳參考節(jié)點(diǎn)將該定位請(qǐng)求信息R2傳遞給所有兩跳參考節(jié)點(diǎn)；然后以剩余能量最大的鄰居參考節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)參考節(jié)點(diǎn)，每ー個(gè)兩跳參考節(jié)點(diǎn)依次向下一跳參考節(jié)點(diǎn)傳遞該定位請(qǐng)求信息R2，直至從該普通節(jié)點(diǎn)開始，傳遞的總跳數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的跳數(shù)閾值H時(shí)，停止傳遞，每一條傳遞鏈路上存在H個(gè)參考節(jié)點(diǎn)； (6-2)以該普通節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，將ー跳參考節(jié)點(diǎn)、第H個(gè)參考節(jié)點(diǎn)以及每隔3跳的參考節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)DV-Hop算法，標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算平均每跳距離，并將標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)的信息和計(jì)算出的平均每跳距離反饋給該普通節(jié)點(diǎn)； (6-3)根據(jù)標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的平均每跳距離，該普通節(jié)點(diǎn)計(jì)算平均每跳距離的平均值，估計(jì)該普通節(jié)點(diǎn)到兩跳參考節(jié)點(diǎn)的距離； (6-4)選擇4-(m+k)個(gè)兩跳參考節(jié)點(diǎn)，結(jié)合一跳參考節(jié)點(diǎn)和一跳升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)四邊測(cè)量法計(jì)算該普通節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、定位誤差δ和信任值η ;若信任值η大于閾值K，則該普通節(jié)點(diǎn)定位成功，成為升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)，否則定位失敗。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述步驟(6)中，選取C2值最大的ー個(gè)或兩個(gè)以上兩跳參考節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算，C2值的計(jì)算公式為
6.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于所述步驟(6)中，選取4-(m+k)個(gè)兩跳參考節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，融合了三維歐氏距離估計(jì)方法、迭代位置估計(jì)方法和DV-Hop算法，為了完成普通節(jié)點(diǎn)的定位，給出了一跳升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)、兩跳參考節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)定位請(qǐng)求信息包的下一跳參考節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。用三維歐氏距離估計(jì)方法和DV-Hop算法計(jì)算出普通節(jié)點(diǎn)到兩跳參考節(jié)點(diǎn)的距離，用四邊測(cè)量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)后，根據(jù)坐標(biāo)與到參考節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)的定位誤差與信任值，比較信任值與閾值的大小關(guān)系，確定此節(jié)點(diǎn)是否定位成功、成為升級(jí)參考節(jié)點(diǎn)；迭代位置估計(jì)方法是在普通節(jié)點(diǎn)成功定位后，廣播包含自身位置的信標(biāo)信息包，協(xié)助其他普通節(jié)點(diǎn)的定位。本方法適用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的大規(guī)模水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位。
文檔編號(hào)H04W4/02GK102695126SQ20121019257
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者劉同慶, 巢佳, 張晨語, 朱川, 江金芳, 郭惠, 韓光潔 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)