CN101364915A - 一种基于三跳环带的传感器网络定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三跳环带的传感器网络定位方法，在无线传感器网络离散模型中，建立节点通信范围的环带概念，将约束节点位置的锚节点数目缩小到其三跳通信范围内，以多个环带通信范围的重叠区域作为节点可能的位置区域，并取该区域的中心作为节点的估计位置。这种定位方法采用分布式计算和处理，有效地提高了未知节点定位的准确性及覆盖率，降低了计算开销及网络节点功耗，同时保障定位的稳定性，抗干扰能力强，具有一定的应用价值，适用于大规模的随机网络，能够有效符合无线传感器网络分布式高精度定位的要求。

Description

一种基于三跳环带的传感器网络定位方法

技术领域

本发明涉及一种传感器网络定位方法，尤其涉及一种基于三跳环带的传感器网络定位方法。

技术背景

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)作为一种全新的信息获取和处理技术，其应用越来越广泛。在无线传感器网络中，大多数情况下只有掌握了传感器节点的位置信息，节点采集的数据才具有实际应用价值。现有定位技术中，一般利用无线传感器网络中少量已知位置的节点来获得其他未知位置节点的位置信息；上述已知位置的节点称为锚节点，未知位置的节点称为未知节点或待测节点。定位目标就是根据网络中部分位置已知的节点(锚节点)来估计其余节点(未知节点)的位置。

现有无线传感器网络节点自身定位方法主要有两种：即基于测距技术的定位方法和无需测距的定位方法。基于测距技术的定位方法通过测量节点间点到点的距离或角度信息计算出待测节点的位置，上述方法的精度较高，但对节点的硬件也提出了很高的要求，并且通常需要多次测量，循环求精，在获得相对精确的定位结果的同时会产生大量计算和通信开销，所以，这种方法虽然定位精度较高，但不适用于低功耗，低成本的应用领域。

无需测距的定位方法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性和已知位置的锚节点等信息就能实现相对精确的定位功能，但是无需测距的定位方法的精度和收敛速度一定程度上依赖于网络平均每跳距离估计的精度，而且当传感器网络各向异性或拓扑结构比较复杂时算法的性能将明显变差。

近年来开发出的各种无线传感器网络定位算法与机制，所采用的网络场景通常分为连续和离散两种模型。其中离散模型方法便于规范建模及统计分析，降低算法复杂度。大部分基于离散网络模型的定位方法，对锚节点射频通信距离内的未知节点进行定位，能够逼近节点的真实位置，但缺点是定位精度及算法覆盖度不高，对锚节点的密度及分布有很严格的要求；同时还极易受误差传播以及噪声对测距的影响，算法稳定性不高。相继出现的其他同类方法，也没有能够有效提高制约算法应用的精确度及覆盖率，所以研究如何解决这两个问题是必须的和必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有的定位技术提供一种定位精度高，不易受环境因素影响，且成本低的无需测距的一种基于三跳环带的传感器网络定位方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：采用离散化的定位网络模型，该无线传感器网络中部属一部分位置确定的锚节点作为参考节点。锚节点向网络中广播三种不同强度的信标信号，未知节点根据自身接收到的信标信息，判断自身所处的通信环带。最终以多个锚节点的通信环带对待测节点位置形成的约束，取重叠区域的中心，作为未知节点位置的最终估计值。

本发明的具体内容为：在正方形的无线传感器网络分布区域中，随机分布的N个节点中有K个锚节点。锚节点按照不同强度发射信标信号，广播其位置信息给整个网络，在其射频半径通信范围内的节点能接收到该广播信号。在离散网络模型中的通信环带(Cincture)，将约束节点位置的锚节点数目缩小到其三跳通信范围内，进而对多个未知节点进行分布式的定位，有效提高定位准确度和定位覆盖率，降低网络节点功耗。

本发明的方法步骤如下：1)对于无线传感器网络进行网络模型离散化，节点的传播距离以及节点之间的距离都表示为离散单元形式，圆形通信范围转化为正方形范围；2)网络中的每个锚节点获取自己的位置信息；3)每个锚节点向网络中广播信标信号，发送强度分三种，信标信号中包括该锚节点的位置信息和ID；4)在锚节点的三种不同强度的射频信标范围内的未知节点，接收到信标信号；5)未知节点根据信标信号的信息，确认自身处于该锚节点的哪一个射频通信环带内；6)根据更多其他锚节点对该未知节点形成的环带约束条件，确定所有约束区域的重叠区，作为节点可能所处的位置；7)取重叠区域的中心，作为未知节点的最终估计位置。

该步骤1中的网络模型离散化，意味着网络数学模型的简化与理想化，同时在后续定位估计阶段可以借助概率论和离散数学、统计学等知识，简化计算量。

该步骤2和3具体为：锚节点预先获取自身位置信息，作为网络中其他大量未知节点定位估计的参考节点，锚节点向其邻居节点广播包含其位置信息和自身ID的信标信息数据包，锚节点采取三种不同的强度发送信标信号，从而每种强度之间都形成一个通信环带，这符合现实应用中锚节点比普通节点功能更强大结构更复杂的情况，而且也缩小了通信范围的不确定性，对于提高定位精度起到关键作用。

该步骤4和5具体为：接收到信标信息后，未知节点得知自己位于哪一个锚节点的范围内，以及位于何种强度的环带内。

该步骤6和7具体为：未知节点同时接收到多个信标信号，判断出这些信标信号形成的环带的重叠区域，可以肯定未知节点的真实位置一定处在该重叠区域内，从而以重叠区域的中心作为未知节点的估计位置。

本发明提出的定位机制延伸了约束节点位置的通信距离，扩展了算法的覆盖范围，降低了网络节点功耗。当通信距离较大时，算法对于锚节点密度的要求基本不变。更加符合复杂传感器网络对健壮性和稳定性的要求。

附图说明

图1为本发明ρ＝2时的基于三跳环带的离散定位网络模型。

具体实施方式

本发明所述无线传感器网络节点定位方法通过以下步骤实现。

1、首先对无线传感器网络模型进行离散化，如图1所示。假定n为偶数，将Q分解成(n+1)²个正方形单元格(cell)，Q＝[-n/2，n/2]×[-n/2，n/2]。节点位置用其所处单元格的坐标(i，j)表示，-n/2≤i，j≤n/2。锚节点的射频信号发射采用ρ、2ρ、3ρ等三种不同的通信距离，相应的一跳、二跳、三跳通信范围是以该节点为中心，边长分别为2ρ+1、4ρ+1、6ρ+1的正方形。规定0<ρ≤n/8。

2、设节点S坐标为(x，y)，它的一跳、二跳、三跳通信环带(Cincture)分别为：

$C_S^{\mathrm{\&rho;}}=[x-\mathrm{\&rho;},x+\mathrm{\&rho;}]\&times;[y-\mathrm{\&rho;},y+\mathrm{\&rho;}]-(x,y)$

$C_S^{2\mathrm{\&rho;}-\mathrm{\&rho;}}=[x-2\mathrm{\&rho;},x+2\mathrm{\&rho;}]\&times;[y-2\mathrm{\&rho;},y+2\mathrm{\&rho;}]-[x-\mathrm{\&rho;},x+\mathrm{\&rho;}]\&times;[y-\mathrm{\&rho;},y+\mathrm{\&rho;}]=C_S^{2\mathrm{\&rho;}}-C_S^{\mathrm{\&rho;}}$

$C_S^{3\mathrm{\&rho;}-2\mathrm{\&rho;}}=[x-3\mathrm{\&rho;},x+3\mathrm{\&rho;}]\&times;[y-3\mathrm{\&rho;},y+3\mathrm{\&rho;}]-[x-2\mathrm{\&rho;},x+2\mathrm{\&rho;}]\&times;[y-2\mathrm{\&rho;},y+2\mathrm{\&rho;}]=C_S^{3\mathrm{\&rho;}}-C_S^{2\mathrm{\&rho;}}$

3、当讨论距离Q边界至少ρ的区域 $Q_{\mathrm{\&rho;}}=C_{\left(\mathrm{0,0}\right)}^{\frac{n}{2}-\mathrm{\&rho;}}$ 内的未知节点。锚节点对整个网络广播携带自身位置的三种强度的信标信号。假定某个未知节点S接收到的三种来自于不同锚节点的信标信号的数量分别为m₁、m₂、m₃，则这些信号的发送锚节点

$S_{21},...,S_{2m_2},S_{31},...,S_{3m_3}$ 就形成了对S位置的线性约束。

4、如果m₁、m₂和m₃不全为0，约束S位置的锚节点全都位于之内；

5、如果m₁、m₂和m₃全为0，则需要考虑所有锚节点形成的约束，这样估计出来的区域通常很大，可认为由于该节点周围锚节点过于稀疏导致无法定位。

6、令I_S1、I_S2、I_S3分别代表S的一跳、二跳、三跳环带内的锚节点通信范围交集。

$I_{S1}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{m_1}{\&cap;}}{C}_{S_{1i}}^{\mathrm{\&rho;}}& m_1\&NotEqual;0\\ Q_{\mathrm{\&rho;}}& m_1=0\end{array}\right.$

$I_{S2}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{m_2}{\&cap;}}{C}_{S_{2j}}^{2\mathrm{\&rho;}-\mathrm{\&rho;}}& m_2\&NotEqual;0\\ Q_{\mathrm{\&rho;}}& m_2=0\end{array}\right.$

$I_{S3}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{k=1}{\overset{m_3}{\&cap;}}{C}_{S_{3k}}^{3\mathrm{\&rho;}-2\mathrm{\&rho;}}& m_3\&NotEqual;0\\ Q_{\mathrm{\&rho;}}& m_3=0\end{array}\right.$

7、A_S表示S所有可能位置的集合，则

$A_S=\left\{\begin{array}{cc}{Q}_{\mathrm{\&rho;}}\&cap;I_{S1}\&cap;I_{S2}\&cap;I_{S3}& m_1+m_2+m_3\&NotEqual;0\\ Q_{\mathrm{\&rho;}}\&cap;\left(\stackrel{\&OverBar;}{\underset{i=1}{\overset{K}{\&cup;}}{C}_{S_i}^{3\mathrm{\&rho;}}}\right)& m_1+m_2+m_3=0\end{array}\right.$

与现有技术相比，本发明的优点在于：锚节点采取三种不同强度发送信标信号，减少了不必要的能量消耗以及不同锚节点信标之间的干扰；未知节点根据其接收到的锚节点信标信号，判断出发送的信号强度以及锚节点ID，进而确定自身的位置估计，多个锚节点形成的通信环带降低了估计位置的不确定性，减小了其分布的可能区域，能有效减少定位误差，提高定位精度。

Claims (5)

1、一种基于三跳环带的传感器网络定位方法，其特征在于方法步骤如下：

1)对于无线传感器网络进行网络模型离散化，节点的传播距离以及节点之间的距离都表示为离散单元形式，圆形通信范围转化为正方形范围；

2)网络中的每个锚节点获取自己的位置信息；

3)每个锚节点向网络中广播信标信号，发送强度分三种，信标信号中包括该锚节点的位置信息和ID；

4)在锚节点的三种不同强度的射频信标范围内的未知节点，接收到信标信号；

5)未知节点根据信标信号的信息，确认自身处于该锚节点的哪一个射频通信环带内；

6)根据更多其他锚节点对该未知节点形成的环带约束条件，确定所有约束区域的重叠区，作为节点可能所处的位置；

7)取重叠区域的中心，作为未知节点的最终估计位置。

2、根据权利要求1所述的一种基于三跳环带的传感器网络定位方法，其特征在于：步骤1)中的网络模型离散化，意味着网络数学模型的简化与理想化，同时在后续定位估计阶段可以借助概率论和离散数学、统计学等知识，简化计算量。

3、根据权利要求1所述的一种基于三跳环带的传感器网络定位方法，其特征在于：步骤2)和3)具体为：锚节点预先获取自身位置信息，作为网络中其他大量未知节点定位估计的参考节点，锚节点向其邻居节点广播包含其位置信息和自身ID的信标信息数据包，锚节点采取三种不同的强度发送信标信号，从而每种强度之间都形成一个通信环带。

4、根据权利要求1所述的一种基于三跳环带的传感器网络定位方法，其特征在于：步骤4)和5)具体为：接收到信标信息后，未知节点得知自己位于哪一个锚节点的范围内，以及位于何种强度的环带内。

5、根据权利要求1所述的一种基于三跳环带的传感器网络定位方法，其特征在于：步骤6)和7)具体为：未知节点同时接收到多个信标信号，判断出这些信标信号形成的环带的重叠区域，可以肯定未知节点的真实位置一定处在该重叠区域内，从而以重叠区域的中心作为未知节点的估计位置。