CN101493517A - 传感器网络中不依赖地理位置信息的节点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种传感器网络中不依赖地理位置信息的节点定位方法，当传感器网络中的节点无法使用GPS等定位装置进行定位，并且没有信标节点帮助时，提出传感器节点二次移动机制，仅仅依靠节点间的相对距离，实现节点对自身邻居节点位置的判断。单个节点将自身对邻居节点位置的判断结果发送到全网络中，最终实现了全网所有节点对自身邻居节点的位置的判断，通过逐步计算的方法得到传感器网络中任意两个节点之间的距离。

Description

传感器网络中不依赖地理位置信息的节点定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中的节点定位方法。特别是不依赖地理位置信息辅助的节点定位和距离计算方法。

背景技术

传感器网络技术对于定位信息的依赖越来越大，而现有的大量传感器网络的研究都基于节点具有精确地理位置信息。然而在实际应用中精确地理位置信息，往往难以准确获得。现有的方法包括采用GPS全球定位系统的方法获得地理位置信息，采用在传感器网络中随机部署一定数量的信标节点，通过估算和信标节点的位置来确定地理位置信息。

但是，现有技术方法具有如下不足之处：

(1)GPS定位的缺点在于，在卫星信号无法到达的区域，如地下隧道，无法实现定位。另外GPS代价较高，耗能较大，与传感器网络低成本，低耗能的目标相冲突。

(2)基于信标节点的方法，需要预先部署很大数量的信标节点，一旦信标节点失效，或者数量不够，将无法实现节点位置的判断。

为了弥补现有定位方法限制条件过多，定位成本较大，代价较高的缺点，本发明提出了基于单个节点移动后确定节点的确切方位的方法。只移动一个节点，并将该节点的计算结果通过广播的方式传递到整个网络来实现全网所有节点方位的确定。通过逐步计算的方式得到任意跳数的节点相互之间的距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种传感器网络中不依赖地理位置信息的节点定位方法，它可以在完全不依赖于节点地理位置信息的条件下，实现传感器网络中任意节点对自己邻居节点精确方位的判定。该方法既不依赖于GPS定位，同时传感器网络中也不需要预先部署信标节点。

为了实现上述发明目的，本方法首先需要节点通过精确测距得到与自己邻居节点的精确距离信息。节点在得到自身与邻居节点的距离信息，以及互相邻接的邻居节点之间的距离信息后，计算出邻居节点彼此之间相对本节点的相对方位。但是由于选取的虚拟坐标系不同，得到的相对方位也存在着很多可能，无法确定任意邻居节点的精确方位。在此基础上，通过本节点移动两次，经过额外的计算，能够确定任意一个邻居节点相对本节点的精确方位。在一个节点得到其邻居节点的精确方位之后，通过全网的广播，每个节点都能够获得自身邻居节点相对自身的精确方位。

包括以下步骤：

(1)在网络中预先部署一个可移动传感器节点，该节点通过邻居节点之间的相对距离得到邻居节点之间的相对方位。

(2)该节点通过二次移动的方式(不同方向移动)，确定邻居节点相对该节点的精确方位。

(3)该节点通过全网广播将方位信息通告给网络中所有节点，其他节点通过收到的信息确定自己邻居节点相对自身的精确方位。

(4)通过逐步计算，得到网络中任意两点间的距离。

本发明的优点和显著效果：

(1)完全不需要额外的地理位置信息，如GPS和信标节点的辅助，仅仅依靠节点间的相对距离就能够实现节点方位的准确判断。

(2)只需要一个节点移动两次，就能够实现网络中每个节点对自己邻居节点方位的判断，节点移动代价较小。

(3)每个节点只需要和周围邻居节点交换距离信息，并将得到的方位结果在网络中进行传递，本方法所需要的通信耗费较低。

附图说明

图1为定位方法顺序图；

图2为节点邻居示意图；

图3为节点移动示意图；

图4为信息广播示意图；

图5为节点方位信息传播方法；

图6为任意两个节点距离计算方法。

具体实施方式

实施方式分为三步，如图1所示。首先传感器节点通过移动两次计算邻居节点的方位，之后传感器节点广播节点方位的计算结果，最后节点通过两两之间距离和方位计算出任意两个节点之间的距离和方位。

1、邻居节点间相对方位确定

如图2所示，假设传感器节点a有若干邻居节点，分别为节点b，c，d，e，f，g。这些邻居节点互相临近的两两之间能够进行通讯。设L_ac代表节点a和节点c之间的欧几里德距离，于是对于邻居节点b和邻居节点c，可以得到与节点a的距离L_ab和L_ac，同时节点b与节点c互相之间能够通信，L_bc也可以得到。由三角形三边，可以得到∠bac的大小。∠bac＝arcos((L_bc ²+L_ac ²-L_ab ²)/2L_acL_ab)。

同理可以得到∠cad、∠dae、∠eaf、∠fag和∠gab。由此可以得到任意节点的邻居节点之间的相互之间的夹角。如果以节点a为圆心，以方向ab为x轴，建立虚拟坐标系，可以得到在此虚拟坐标系下每个节点相对圆心a的角度与方位。但是由于传感器网络缺乏精确的地理位置信息，同时没有信标节点的帮助，无法实现虚拟坐标系向真实环境的唯一映射。对于节点a来说，节点a只能得到其邻居节点两两之间相对自身的夹角以及这些节点在选择的虚拟坐标系中的方位，仅仅知道这样的信息，对于节点a，对于传感器网络都是远远不够的。在大量应用中，都需要传感器节点知道自己邻居节点相对于自身处于什么具体方位。而通过节点两两之间简单的距离测量，无法得到充分满足应用需求的足够信息。

当网络中的节点通过距离的测量，得到邻居节点在某个虚拟坐标系中的位置后，需要得到邻居节点在真实环境下的具体方位。如图3所示，节点a有两个邻居节点b和c。节点a、b、c之间知道彼此之间的相对距离，节点a能够计算得到和节点b，c之间夹角。但是对于节点a来说，在不同虚拟坐标系中，b和c的位置存在多种可能。为了确定节点b，c的具体方位，需要让节点a进行移动。

2、邻居节点绝对方位的确定

首先节点a向一个指定方向移动一小段距离，图中节点首先向东移动到a’位置。L_aa’代表节点a和a’之间的欧几里德距离。假设Rc是传感器节点的通信半径，那么有对于节点a的邻居节点i，需要满足L_aa’≤Rc-min(L_ai)，L_ai代表节点a与其邻居节点i的欧几里德距离，min(L_ai)表示节点a与其所有邻居节点的距离的最小值。这样是为了保证，节点a在移动后，至少能够与节点a的一个邻居节点进行通信。即节点a移动到a’位置后，其与节点a的距离最近的一个邻居节点的距离仍然处于通信半径Rc之内。

图3中，为了节点a在移动到a’后，仍然能够与邻居节点b，c中的一个通信，需要保证L_aa’不能大于Rc-L_ab。节点a在移动到a’后能够得到三角形三边L_aa’，L_ab，L_ba’，因此可以得到节点b在方向L_aa’上相对于节点a的夹角θ₁，∠θ₁＝(L_aa’ ²+L_ab ²-L_ba’ ²)/2L_aa’L_ab。由于节点c与节点b相对a的夹角θ₂是已知的。因此可以得到节点c相对于节点a在指定方向上的夹角θ₁₊θ₂。如果以此节点a移动的方向为x轴建立坐标系，那么可以得到节点a所有邻居节点在这个实际坐标系下的方位。通过一次移动的方法，实现了虚拟坐标系向实际坐标系的转化。

但是，对于节点a来说经过一次移动仅仅可以确定其邻居节点在这个实际坐标系中与x轴的夹角。仍然存在两种可能，即节点b处于图中b’的位置。由图可知b’与b在实际坐标系中关于x轴是对称的。我们将这种现象称为节点位置翻转。为了解决图中的节点位置翻转现象，需要节点a进行二次移动，如图所示，在实际坐标系中，节点a延着y轴方向进行二次移动，移动的距离等于第一次移动的距离L_aa’。由此得到ab与y轴之间的夹角θ₁’。如果得到的θ₁’小于π/2，则判定节点b位于坐标系上方，其方位角θ₁＜π。如果得到的θ₁’大于于π/2，则判定节点b位于坐标系下方，其方位角θ₁＞π。

通过这样的方法，节点a得到了其所有邻居节点在一个以具体方位为基准的实际坐标系下的绝对方位。

3、其他节点方位的确定

当节点a通过二次移动的方式得到自己邻居节点在实际坐标系中的具体方位后，需要将其得到的计算结果通过无线信号广播的方式发布到全网。如图4所示，节点a将邻居节点b，c，d，e在实际坐标系中的方位角分别发送给这些邻居节点。邻居节点收到方位角信息后，以本节点为原点，建立坐标系，并计算节点a在自身坐标系中的方位角θ_a。之后根据自身各个邻居之间的夹角关系，得到自己的邻居节点位于坐标系中的具体方位。

对于节点a的一个邻居节点i，设邻居节点i在节点a的实际坐标系下的方位角为θi。参见图5第4-5行，如果θ_i∈[0，π}，那么对于节点i自身的坐标系而言，节点a所在的方位角θ_a＝π+θ_i。参见图5第6-7行，如果θ_i∈[π，2π}，那么对于节点i自身的坐标系而言，节点a所在的方位角θ_a＝θ_i-π。

参见图5第8-10行，节点i计算得到a在自身坐标系中的方位角后，通过步骤一，就能得到自己所有邻居节点在坐标系中的方位，节点i将计算结果再次发送给自己其他的邻居节点。

4、网络中任意两点距离的确定

当每个节点都完成了其邻居节点方位角的计算之后，可以根据每个节点的局部信息，计算得到网络中任意两个不相邻的节点之间的距离和方位。参见图6，节点a与b相邻，b与c相邻，c与d相邻，d与e相邻。相邻节点之间知道彼此的距离和方位。但是节点a与e之间不存在邻居关系，无法直接计算得到他们之间的距离和方位。采用如下方式进行计算。从节点a开始依次计算L_ac、θc、L_ad、θd、Lae和θe。

对于节点c，其与节点a的距离L_ac，在节点a坐标系中的方位角θc可以由如下计算得到。

L_ac ²＝L_ab ²+L_cb ²-2L_abL_cbcos(∠abc)

∠bac＝acrcos((L_ab ²+L_ac ²-L_bc ²)/2L_abL_ac)

θc＝θb+∠bac

在得到c的距离和方位后，对于节点d，其与节点a的距离L_ad，在节点a坐标系中的方位角θd可以由如下计算得到。

∠acd＝π-∠abc-∠bac+∠bcd

L_ad ²＝L_ac ²+L_cd ²-2L_acL_cdcos(∠acd)

∠cad＝acrcos((L_ac ²+L_ad ²-L_cd ²)/2L_acL_ad)

θd＝θc-∠cad

在得到d的距离和方位后，对于节点e，其与节点a的距离L_ae，在节点a坐标系中的方位角θe可以由如下计算得到。

∠ade＝π-∠cad-∠acd+∠cde

L_ae ²＝L_ad ²+L_de ²-2L_adL_decos(∠ade)

∠dae＝acrcos((L_ad ²+L_ae ²-L_de ²)/2L_adL_ae)

θe＝θd+∠dae

由上可知，通过三步的计算，可以得到网络中距离节点a四跳的节点e的距离和方位。同理，通过k步计算，能够得到网络中任意一对距离k+1跳的节点的距离和方位。

Claims (2)

1、一种传感器网络中不依赖地理位置信息的节点定位方法，其特征是：通过三角形三边定位，确定节点的邻居节点之间的相对方位，在得到邻居节点彼此间的方位基础上，节点向两个不同的方向移动两次，确定邻居节点相对本节点的确切方位；得到邻居方位的节点将计算得到的方位信息采用无线广播发送给邻居节点，邻居节点根据收到的方位信息，建立自己的坐标系，计算自己邻居的方位，并将计算后的结果再次传递，直至全网；当所有节点都实现了对自己邻居节点的精确定位后，通过单跳节点的距离和方位，计算出任意跳数节点相互之间的距离和方位。

2、根据权利要求1所述的传感器网络中不依赖地理位置信息的节点定位方法，其特征是包括以下步骤：

(1)网络中随机选择一个传感器，该节点通过邻居节点之间的相对距离得到邻居节点之间的相对方位；

(2)该节点向两个不同的方向移动两次，确定邻居节点相对该节点的精确方位；

(3)该节点通过全网广播将方位信息通告给网络中所有节点，其他节点通过收到的信息确定自己邻居节点相对自身的精确方位；

(4)从被测量节点开始，通过k次逐步计算，得到网络中距离此节点k+1跳的节点的距离和方位。

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