CN100505666C - 一种无线网状网络的客户机节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线网状网络的客户机节点定位方法，属于无线网状网络通讯技术领域。该方法包括：客户机节点启动监听线程，在某一时段，接收到若干个与之连接的骨干节点发出的数据包，得到相应骨干节点的坐标信息和客户机节点与上述骨干节点之间的信号强度；根据信号强度区间和距离区间的对应关系，得出客户机节点与上述骨干节点间的距离区间值；在无线网状网络坐标系中，以每个骨干节点的坐标为圆心，用客户机节点与相应骨干节点间距离区间的上下限值为半径画圆环；得到多个骨干节点的圆环后，确定圆环的重叠区，计算上述重叠区的质心，得到客户机节点的坐标。利用本发明可提高无线网状网络的客户机节点定位的准确性。

Description

一种无线网状网络的客户机节点定位方法

技术领域

本发明属于无线网状网络通讯技术领域，尤其是涉及一种无线网状网络(WMN)的客户机节点定位方法。

背景技术

WMN网络中的节点有两种：一种节点是骨干网上的路由节点，即骨干节点；另一种节点是以WLAN方式连接骨干节点的客户机节点。在WMN网络中，骨干节点对客户机节点起接入作用，即骨干节点为客户机节点提供接入服务。

WLAN网络的客户机节点定位方法通常基于测量信号传输的强度来实现。现有的客户机定位方法具体为：根据无线传输模型用数学模型描述无线信号传输的特征，根据待定位的客户机节点与已知的骨干节点之间的信号强度，计算客户机节点与骨干节点之间的距离。即通过信号强度和距离之间的一一对应关系，测出客户节点的位置。这种方法不需要大量的离线测量，便于在实际环境中使用。但是在实际应用时，无线信号传输受环境影响会发生散射、衍射、反射等各种不同的变化，很难用一个确定的模型描述其变化规律。此外，在一般测量中，测得的信号强度都在1dBW(或1dBm)精度，无法把信号强度映射到特定的距离值上。由此可见，把信号强度值映射到特定的距离值，会带来较大的测量误差，再加上信号强度本身的测量误差，依据信号强度传输模型进行计算的测量方法误差会非常大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于圆环覆盖区域的无线网状网络的客户机节点定位方法，该方法可测得比较准确的客户机节点位置信息。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

一种无线网状网络的客户机节点定位方法，其步骤包括：

1)根据无线网状网络的场景模型，得到网络节点间信号强度与节点距离的对应关系，把信号强度和节点距离划分为若干个区间，确定信号强度区间与距离区间之间的对应关系；

2)在某一时段，客户机节点接收到若干个一跳范围内的骨干节点发出的数据包，通过提取数据包中的信息以及进行信号强度测量，得到上述骨干节点的坐标信息、客户机节点与上述骨干节点之间的信号强度，以及当前客户机节点所处的无线网络场景；

3)根据客户机节点所处的无线网络场景模型和客户机节点与上述骨干节点之间的信号强度，得出客户机节点与上述骨干节点间的距离区间值；

4)在无线网状网络坐标系中，以每个骨干节点的坐标为圆心，用该骨干节点与客户机节点间距离区间的上下限值为半径画圆环；

5)得到多个骨干节点的圆环后，确定圆环的重叠区，计算上述重叠区的质心，得到客户机节点的坐标。

步骤2中，客户机节点通过扫描各个信道读出所能监听到的所有骨干节点的ID和信号强度。

所述步骤1包括：针对不同的网络场景模型，绘制节点距离与信号强度的对应曲线，将该曲线划分为若干个区间，得到信号强度区间与距离区间之间的对应关系。

将距离与信号强度对应曲线中斜率变化不大的一段作为一个区间进行划分。

将客户机节点对应的所有骨干节点根据信号强度区间划分为若干个组，将每组骨干节点映射到具体的距离区间。

所述无线网络场景模型分别为理想模型FreeSpace、无遮挡地面反射模型TwoRayGround、室外有遮挡模型Outdoor-Shadowing和室内有遮挡模型Indoor-Shadowing，上述网络场景模型分别对应四个不同的节点距离与信号强度的对应曲线。

如无线网络场景为一特定场景模型，则通过实际的实验测得网络节点间的信号强度和节点距离，绘制节点距离与信号强度的对应曲线。

本发明的技术效果：

根据信号传输的网络场景模型，建立信号强度区间和距离区间的对应关系。通过把信号强度到距离的单射对应关系转换为更符合信号传输模型描述的信号强度区间对节点距离区间的映射关系，从而避免单值映射时，由于信号强度测量精度低而带来的误差；同时由于映射关系中信号强度也是一个区间，一定程度上还能减小由于信号强度的测量误差对距离测量的影响，因而大大提高测量精度。

基于上述理由，本发明利用信号强度区间和距离区间的对应关系，以与客户机节点相连的每个骨干节点确定一个覆盖客户机节点的圆环区域，根据多个圆环覆盖区域的重叠区，求取重叠区的质心，得到客户机节点的定位结果。

利用本发明可提高客户机节点定位的准确性。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1为本发明实施例无线网状网络的示意图；

图2为本发明的信号强度与距离区间的映射关系示意图；

图3为本发明的信号强度与距离的对应曲线图；

图4为在不同的场景下的信号强度与距离的对应曲线图；

图5为圆环区域重叠区示意图。

具体实施方式

本发明首先根据不同的无线网络场景模型，得到相应的无线网状网络的节点间信号强度与节点距离，把信号强度和节点距离划分为若干个区间，确定各个场景模型中信号强度区间与距离区间之间的对应关系。

本发明信号强度区间与距离区间之间的对应关系和采用的无线网络场景模型有直接的关系，在划分之前首先根据无线网络场景，计算在通信范围内不同距离的信号强度，根据希望达到的测量精度选取计算的距离值。一般情况选取整数米的距离。实际应用中，根据特定环境的无线网络场景，通过实验采取数据，在距离发送节点不同距离的位置测量接收信号强度。实验测量的信号强度通常是以dBW或dBm为单位，通过模型理论计算的信号强度通常以W为单位。为了处理方便，需要把以W为单位的信号强度换算为以dBW或dBm为单位的信号强度，具体换算公式如下：

$P\left(\mathrm{dBW}\right)=10\log \left(\frac{P\left(W\right)}{1W}\right)$

$P\left(\mathrm{dBm}\right)=10\log \left(\frac{P\left(W\right)}{0.001W}\right)$

以dBW或dBm为单位的信号强度和距离之间有近似线性的变化关系，方便区间划分处理。

本发明根据每一个信号强度对应到一个距离值上，可以作出一条信号强度与距离对应的曲线，如图3所示。在不同的场景中，信号强度与距离的映射曲线是不同的。这主要根源于不同的场景中，信号传输的衰减规律不同。一般而言，普遍采用的无线传输场景模型有四种：FreeSpace、TwoRayGround、Outdoor-Shadowing和Indoor-Shadowing。本发明能适应实际应用场景的不同、随着传输距离的变化以及信号衰减规律的不同。总而言之，针对不同的应用场景，有必要先行确定该场景所属的模型，再进行定位操作，才可以使定位结果接近于实际的情况。

根据无线网络场景模型，建立信号强度区间和距离区间的对应关系，如图4所示。通过把信号强度到距离的单射对应关系转换为区间对区间的映射，更符合信号传输描述的关系，还可以避免单值映射时由于信号强度测量精度低带来的误差；同时由于映射关系中信号强度也是一个区间，一定程度上也可以减小由于信号强度的测量误差对距离测量的影响。

本发明在部署网络时，应当实地调研待部署区域的状况，测试该地区的距离与信号强度对应值，绘制出比较符合当地实际的对应曲线，再划分映射区间。关于区间的确定，可以遵循这样一个原则：斜率变化不大的一段作为一个区间。在一个区间内，信号强度与距离之间对应关系的变化应该处于一个较稳定的状态(斜率变化不大)。同时应该注意，一个区间不宜过大或过小，过大则会影响定位的精度，过小就有可能因为圆环之间无交集而得不到定位结果。

区间确定可以借助机器，通过上边的原则自动完成，也可以用人手动的划分。区间划分后，得到一个信号强度区间与距离区间的对照表(分为不同场景)。至此，区间距离映射的工作完成。

参考图1，无线网状网络中有四个节点，其中，A、B、C为WMN网络骨干节点。这些骨干节点已进行过定位，整合成一个以B为中心节点的网络全局坐标系。D是客户机节点，它通过某个骨干节点在网络上进行通信，在某一时段t，D恰好可以同时接收到A、B、C发出的数据包，本发明就是通过这一时刻检测到的数据进行定位。

一、算法初始化

在开机启动算法之后，客户机节点首先要从其接入的骨干节点处接收相应初始化信息，其中包括场景所属模型(室内、室外、有无遮挡)。在本例中，客户机节点D以A作为其接入点，则初始化信息由A发给D。

二、启动监听线程，收集所需数据

初始化完成后，节点D启动一个线程监听其他节点发送过来的数据包，且只接收所有骨干节点发来的数据包。在本例中，如果还有一个客户机节点E，它发出了关于自己位置的信息恰好被D接收到，D丢弃这个数据包，不采用其中的数据。

三、扫描信道，对数据进行操作。

扫描各个信道，读出所能监听到的所有其他节点(这里包括骨干节点和客户机节点，因为此时尚无法区分)的ID和信号强度。在本例中，D通过监听信道感知到邻近有A、B和C三个节点，得到其信号强度分别为PA、PB、PC。

四、根据测得的骨干节点对应的信号强度，查找出距离区间。

接收到信号时，首先要判断信号强度属于哪个区间。例如PA的信号强度是-50，其属于-56^--48这个区间，而对应的距离应该是4.0^-9.0这个距离区间，也就表示DA之间的距离在4.0到9.0m之间。同理，可以求出DB、DC之间的距离区间，至此已经得到所有所需的距离信息。

五、计算无线网状网络的客户机节点坐标。

通过已知的骨干节点位置及客户机当前对应骨干节点间的距离区间，本发明通过作图的方法画出多个圆环，如图5所示。

图5中，每个圆环分别是以相应骨干节点的坐标为圆心，用客户机节点与相应骨干节点间距离区间的上下限值为半径画的。得到上述3个圆环后，确定圆环覆盖区域的重叠区，计算上述重叠区的质心，得到客户机节点的坐标。

至此，在客户机D上，已经求得了自身的位置坐标。

六、广播客户机节点的坐标结果

客户机节点知道了自身坐标之后，需要把这个结果发布到网络上以方便上层网管或者全局应用的需要。

由于客户机节点的移动性，其坐标位置可能随时出现变化，因此以上的步骤是始终处于一个不断循环之中的，这样就可以实现将客户机节点的坐标动态更新，以适应上层管理的需求。

采用本发明，经实验结果表明：在上述实验环境中，均方根误差为3.11米，与RADAR等WLAN网络中的定位方法性能相当。本发明只需离线测量较少数据，以确定信号强度区间与距离区间对应关系，可以比较方便的在实际环境中使用。

WMN网络中路由节点具有最小移动性，但并不意味着完全固定不变，因此相对于RADAR等基于指纹数据库匹配的定位方法，本发明应用于WMN网络时更有优势。

Claims (7)

1、一种无线网状网络的客户机节点定位方法，其步骤包括：

1)根据无线网状网络的场景模型，得到网络节点间信号强度与节点距离的对应关系，把信号强度和节点距离划分为若干个区间，确定信号强度区间与距离区间之间的对应关系；

2)在某一时段，客户机节点接收到若干个一跳范围内的骨干节点发出的数据包，通过提取数据包中的信息以及进行信号强度测量，得到上述骨干节点的坐标信息、客户机节点与上述骨干节点之间的信号强度，以及当前客户机节点所处的无线网络场景；

3)根据客户机节点所处的无线网络场景模型和客户机节点与上述骨干节点之间的信号强度，得出客户机节点与上述骨干节点间的距离区间值；

4)在无线网状网络坐标系中，以每个骨干节点的坐标为圆心，用该骨干节点与客户机节点间距离区间的上下限值为半径画圆环；

5)得到多个骨干节点的圆环后，确定圆环的重叠区，计算上述重叠区的质心，得到客户机节点的坐标。

2、如权利要求1所述的无线网状网络的客户机节点定位方法，其特征在于：步骤2中，客户机节点通过扫描各个信道读出所能监听到的所有骨干节点的ID和信号强度。

3、如权利要求1或2所述的无线网状网络的客户机节点定位方法，其特征在于：步骤1包括：针对不同的网络场景模型，绘制节点距离与信号强度的对应曲线，将该曲线划分为若干个区间，得到信号强度区间与距离区间之间的对应关系。

4、如权利要求3所述的无线网状网络的客户机节点定位方法，其特征在于：将距离与信号强度对应曲线中斜率变化不大的一段作为一个区间进行划分。

5、如权利要求3所述的无线网状网络的客户机节点定位方法，其特征在于：将客户机节点对应的所有骨干节点根据信号强度区间划分为若干个组，将每组骨干节点映射到具体的距离区间。

6、如权利要求3所述的无线网状网络的客户机节点定位方法，其特征在于：所述无线网络场景模型分别为理想模型、无遮挡地面反射模型、室外有遮挡模型和室内有遮挡模型，上述网络场景模型分别对应四个不同的节点距离与信号强度的对应曲线。

7、如权利要求3所述的无线网状网络的客户机节点定位方法，其特征在于：所述无线网络场景为一特定场景模型，则通过实际的实验测得网络节点间的信号强度和节点距离，绘制节点距离与信号强度的对应曲线。

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