CN101711062A - 分布式无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络技术领域的分布式无线传感器网络节点定位方法，包括：网络初始化；凸定位；和非凸定位三个阶段。本发明适用于静态无线传感网络定位，降低了对网络能量和带宽的要求，提高了定位精度和可扩展性，不需要任何路由协议支持。

Description

分布式无线传感器网络节点定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线传感器网络技术领域的方法，具体是一种分布式无线传感器网络节点定位方法。

背景技术

无线传感器网络节点定位是指根据一些已知位置估计的节点，即通常称为锚节点)和节点之间的测距信息或者连通信息确定未知位置节点的物理坐标。节点定位技术是无线传感器网络的核心技术之一。在传感器网络的各种应用中，节点位置至关重要，没有位置信息，大部分采集的数据也失去了实际意义。由于位置信息的重要性，网络部署后，节点应该能够自主确定自身位置，由于受资源、成本和应用环境限制，每个节点配置GPS或者人工配置显得不现实，因此必须开发适合无线传感器网络特点的节点定位机制。无线传感器网络定位机制必须满足自组织性、鲁棒性、能量有效等要求，并且必须具有良好的可扩展性、容错性、适应资源有限的约束。

目前，针对不同的应用提出了许多定位技术，按照不同的划分标准主要可以分为测距和非测距、集中式和分布式等类型。现有的基于测距的定位方法多为集中式定位方法，如Q.Shi，C.He，and L.Jiang，在“Normalized incremental subgradient algorithm andits application，”，即归一化次梯度算法及其应用)，即IEEE Trans.SignalProcess.，Vol.57，No.10，pp.1-16，Oct.2009.)中提出的基于归一化次梯度法的定位方法能够达到很高的定位精度，但对网络能量和带宽的要求较高，可扩展性差。而且，这些方法都没有考虑锚节点位置存在测量误差。

经过对现有技术的检索发现，S.Srirangarjan，A.H.Tewfik，and Z.-Q.Luo，在“Distributed sensor network localization using SOCP relaxation，”，即基于二次锥松弛的分布式传感器网络定位)，即IEEE Trans.Wireless Commun.，Vol.7，No.12，pp.4886-4895，Dec.2008)中考虑了锚节点位置存在测量误差这一情况，提出了一种分布式的定位方法。该方法非常适合网络内分布式执行，但是由于是基于二次锥松弛技术，定位精度较低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种分布式无线传感器网络节点定位方法，适用于静态无线传感网络定位，降低了对网络能量和带宽的要求，提高了定位精度和可扩展性，不需要任何路由协议支持。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、网络初始化：当包括锚节点和未知节点的网络节点部署完毕后，所有网络节点中的直连邻居节点之间进行测距，然后每个网络节点确定各自位置的初始估计并广播给该节点的邻居节点。

所述的初始估计包括：未知节点位置的初始估计和锚节点位置的初始估计，其中：未知节点位置的初始估计随机生成，锚节点位置的初始估计通过GPS或人工测量所得。

所述的直连邻居节点是指：能够直接通信的两个相邻的网络节点；

所述的测距是指：直连邻居节点之间的欧氏距离估计；

第二步、凸定位：利用主从节点选择协议从所有网络节点中确定若干个主节点和对应的从节点，每个主节点根据其与从节点的测距以及由从节点发出的初始估计利用二次锥定位法进行位置更新，重复执行第二步直至所有网络节点的位置不再更新，所述的主节点是指具有位置更新权利的网络节点；所述的从节点是指主节点的所有相邻节点；

所述的主从节点选择协议是指：每个网络节点运行一个随机定时器并进行倒计时，当一个网络节点的随机定时器即将最早到期时，则该网络节点则向其所有邻居节点广播主节点更新消息，同时所有收到该主节点更新消息的网络节点停止其随机定时器并将其设定为从节点，其中：主节点更新消息是指：通过广播向邻居节点发送更新消息，宣告广播发出的网络节点为主节点。

所述的位置更新具体包括以下步骤：

2.1)利用二次锥凸定位法生成主节点的位置更新；

2.2)当主节点的位置更新与上一次的位置估计之间的欧式距离在10^-4～10^-2以下时，则该主节点的位置不进行更新，并停止随机定时器；

否则更新该主节点的位置估计，以位置更新替换上一次的位置估计。

2.3)重复步骤2.1)和步骤2.2)直至所有节点的随机定时器关闭，即当所有节点的位置都不需要更新。

第三步、运行主从节点选择协议确定主节点和从节点，然后各主节点根据其与从节点测距和从节点的位置估计利用非凸定位法进行二次位置估计，得到最终节点位置估计。

所述的利用非凸定位法进行二次位置估计，包括以下步骤：

3.1)主节点利用迭代式计算该主节点到其从节点的间距，

当主节点为未知节点时，迭代式为：

||v_j-x_j||＝d_ij，

其中：x_i为网络节点的位置，v_j为未知点的测量位置，a_i为锚节点的测量位置，i＝1，2，...N；

当主节点为锚节点时，迭代式为：

其中：N_i表示节点i的邻居节点集、x_j为网络节点x_i的所有邻居节点的当前位置估计，d_ij表示直连邻居节点i和j之间的欧氏距离估计，i＝1，2，...N；

3.2)当步骤3.1)得到的间距与第二步中得到的位置更新相比差距为10^-4～10^-2时，则该主节点不更新，并停止随机定时器；否则将二次位置更新替换该主节点在第二步中得到的位置更新；

3.3)重复步骤3.1)和步骤3.2)此过程直至所有主节点的不再进行二次位置更新，从而得到最终的网络节点定位。

本发明方法通过利用内点法求解，每个节点更新位置的计算复杂度为三次多项式级别，实现起来较为简单。

附图说明

图1为分布式凸定位法ESOCP的收敛性能图。

图2为分布式非凸定位法NCSG的收敛性能图。

图3为各种定位法在锚节点位置不确定性时的定位性能比较图；

其中：δ＝0.2R，R为通信半径。

图4为各种定位法在测距噪声系数定位性能比较图；

其中：nf＝0.1时随着锚节点误差。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例实现环境包括：一个由N个节点，其中：m个锚节点和n个未知节点组成的无线传感器网络，上述节点的位置依次用x_i，i＝1，2，...N表示；锚节点的测量位置为a_i和测量误差的上界为δ：即||x_i-a_i||≤δ，i＝1，2，...m；直连邻居节点i和j的测量距离用d_ij表示，即||x_i-x_j||≈d_ij。

本实施例具体通过以下步骤进行：

第一阶段为网络的初始化阶段，此阶段包括以下步骤：

1.1)当网络节点部署完毕后，所有网络节点中的直连邻居节点之间进行测距；

1.2)每个网络节点确定各自位置的初始估计并将初始位置估计广播给各自的邻居节点；

1.3)所有网络节点启动随机定时器。

所述的初始位置估计包括：网络节点的初始估计，其中：未知节点位置的初始估计随机生成，锚节点位置的初始估计通过GPS或人工测量所得。

所述的直连邻居节点是指：能够直接通信的两个相邻节点；

所述的测距是指：直连邻居节点之间的欧氏距离估计；

第二阶段为分布式凸定位阶段，该阶段在初始阶段完成后执行，包括如下过程：有些节点的定时器相比于它们的邻居节点的定时器率先到期，这些节点就被选择成为主节点，即具有位置更新权利的节点，而其邻居节点则成为从节点，即从属于主节点的节点，在主节点更新位置时这些节点不更新位置。

当发生定时器冲突，即两个以上邻居节点的定时器同时到期，那么这些节点重新启动随机定时器竞争成为主节点。确定了主节点以后，主节点广播一个控制信息，通知各自的邻居节点，即从节点，都退避，即告诉邻居节点这个时刻只有它有权利更新，而邻居节点在收到控制信息后关闭各自的定时器进入待命状态并回复主节点“收到命令”信息。主节点在知道自己的邻居节点都待命后利用二次锥定位法计算自己的位置估计并与当前的位置估计进行比较。

当主节点不需要更新位置估计，也就是当计算出来的位置估计和当前的位置估计变化不明显，即它们之间的欧式距离在10^-4～10^-2以下时，那么主节点关闭自己的定时器并向其从节点发送“允许更新”的命令，否则向从节点发送更新后的位置估计和位置相关冗余变量。

当某从节点可能隶属于多个主节点。只有当该从节点收到了所有其主节点完成位置计算后发来的控制信息，即包括“允许更新”命令或者更新后的位置估计和相关冗余变量)且至少它的一个主节点的位置估计发生了更新，那么该从节点重启定时器，否则从节点不重启定时器，直到收到其它主节点更新后的位置估计。

重复上述过程直到所有节点的定时器都关闭。

所述的二次锥定位法是指：假如节点i为主节点，则节点i通过求解下述二次锥规划计算位置估计：

对于节点i为锚节点的情况，二次锥规划为：

$\underset{x_i,Y_{\mathrm{ii}},Y_{\mathrm{ij}}}{\min }\underset{j\∈N_i}{\mathrm{\Σ}}{(Y_{\mathrm{ii}}-2Y_{\mathrm{ij}}+Y_{\mathrm{jj}}-d_{\mathrm{ij}}^2)}^2+(Y_{\mathrm{ii}}-2a_i^T{x}_i+{\left|\right|a_i\left|\right|}^2)$

$s.t.Y_{\mathrm{ii}}-2a_i^T{x}_i+{\left|\right|a_i\left|\right|}^2\≤{\mathrm{\δ}}^2$

$\sqrt{4{\left|\right|x_i\left|\right|}^2+{(Y_{\mathrm{ii}}-1)}^2}\≤Y_{\mathrm{ii}}+1$

$\sqrt{4{(Y_{\mathrm{ij}}-x_i^T{x}_j)}^2+4c_j{\left|\right|x_i\left|\right|}^2+{(c_j{Y}_{\mathrm{ii}}-1)}^2}\≤c_j{Y}_{\mathrm{ii}}+1,\∀j\∈N_i$

而对于节点i为未知节点的情况，二次锥规划为：

$\underset{x_i,Y_{\mathrm{ii}},Y_{\mathrm{ij}}}{\min }\underset{j\∈N_i}{\mathrm{\Σ}}{(Y_{\mathrm{ii}}-2Y_{\mathrm{ij}}+Y_{\mathrm{jj}}-d_{\mathrm{ij}}^2)}^2$

$s.t.\sqrt{4{\left|\right|x_i\left|\right|}^2+{(Y_{\mathrm{ii}}-1)}^2}\≤Y_{\mathrm{ii}}+1$

$\sqrt{4{(Y_{\mathrm{ij}}-x_i^T{x}_j)}^2+4c_j{\left|\right|x_i\left|\right|}^2+{(c_j{Y}_{\mathrm{ii}}-1)}^2}\≤c_j{Y}_{\mathrm{ii}}+1,\∀j\∈N_i$

在上述二次锥规划中，N_i表示节点i的邻居节点集，j∈N_i表示节点j是节点i的邻居；Y_ii，Y_jj，Y_ij，即j∈N_i为冗余变量；c_j＝Y_jj-||x_j||²；x_j为邻居节点的当前位置估计；上述二次锥规划有关x_i的解作为节点i的位置估计。

所述的位置相关冗余变量是指：假如节点i为主节点，则二次锥规划有关Y_ii的解为节点i的位置相关冗余变量。

第三阶段为分布式非凸定位阶段，该阶段在第二阶段完成后执行，首先重新启动所有节点的随机定时器，然后重复执行如下过程直到所有节点的随机定时器关闭：有些节点的定时器相比于它们的邻居节点的定时器率先到期，这些节点就被选择成为主节点，即具有位置更新权利的节点，而其邻居节点则成为从节点，即从属于主节点的节点，在主节点更新位置时这些节点不更新位置。若发生冲突，即两个以上邻居节点的定时器同时到期，那么这些节点重新启动随机定时器竞争成为主节点。确定了主节点以后，主节点广播一个控制信息，通知各自的邻居节点，即从节点)都退避，即告诉邻居节点这个时刻只有它有权利更新，而邻居节点在收到控制信息后关闭各自的定时器进入待命状态并回复主节点“收到命令”信息。主节点在知道自己的邻居节点都待命后利用非凸定位法计算自己的位置估计并与当前的位置估计进行比较。如果主节点发现不需要更新位置估计，也就是当计算出来的位置估计和当前的位置估计变化不明显时，即它们之间的欧式距离小于10^-4，那么主节点关闭自己的定时器并向其从节点发送“允许更新”的命令，否则向从节点发送更新后的位置估计。注意，某个从节点可能隶属于多个主节点。只有当该从节点收到了所有其主节点完成位置计算后发来的控制信息，即包括“允许更新”命令或者更新后的位置估计)且至少它的一个主节点的位置估计发生了更新，那么该从节点重启定时器，否则从节点不重启定时器，直到收到其它主节点更新后的位置估计。

第三阶段的定位结果作为最终的网络节点位置估计。

所述的非凸定位法是指：假如节点i为主节点，则节点i通过下述迭代位置更新方法计算位置估计，即迭代初始值x_i ⁰取节点i当前的位置估计：

当节点i为锚节点时，迭代式为：

当节点i为未知节点时，迭代式为：

$x_i^k=\frac{1}{\left|N_i\right|}\underset{j\∈N_i}{\mathrm{\Σ}}(x_j+d_{\mathrm{ij}}\frac{x_i^{k-1}-x_j}{\left|\right|x_i^{k-1}-x_j\left|\right|})$

在上述迭代式中，|N_i|表示节点i的邻居节点总数；x_j为邻居节点的当前位置估计；x_i ^k表示第k次迭代计算得到的节点i的位置估计值。迭代算法的终止准则为：

ε的取值范围为10^-4～10^-2。

从图1和图2中可以看出，本实施例的定位方法能够迅速收敛，大概需要30次循环计算，即注意，此处的一次循环代表遍历所有节点一次。从图3，4中可以看出，本实施例的分布式凸定位方法ESOCP，即第二阶段方法)相比现有技术具有更高的定位精度，另外，本实施例的分布式非凸定位方法，即第三阶段方法)可以进一步提高定位精度。图中还可以看出，本实施例的二阶段定位方法ESOCP+NCSG相比现有技术提高％20通信半径的定位精度，非常接近集中式定位方法NIS的定位性能，尤其在测距误差和锚节点位置测量误差较小时。

Claims (5)

1.一种分布式无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、网络初始化：当包括锚节点和未知节点的网络节点部署完毕后，所有网络节点中的直连邻居节点之间进行测距，然后每个网络节点确定各自位置的初始估计并广播给该节点的邻居节点；

第二步、凸定位：利用主从节点选择协议从所有网络节点中确定若干个主节点和对应的从节点，每个主节点根据其与从节点的测距以及由从节点发出的初始估计利用二次锥定位法进行位置更新，重复执行第二步直至所有网络节点的位置不再更新，所述的主节点是指具有位置更新权利的网络节点；所述的从节点是指主节点的所有相邻节点；

第三步、运行主从节点选择协议确定主节点和从节点，然后各主节点根据其与从节点测距和从节点的位置估计利用非凸定位法进行二次位置估计，得到最终节点位置估计。

2.根据权利要求1所述的分布式无线传感器网络节点定位方法，其特征是，所述的初始估计包括：未知节点位置的初始估计和锚节点位置的初始估计，其中：未知节点位置的初始估计随机生成，锚节点位置的初始估计通过GPS或人工测量所得。

3.根据权利要求1所述的分布式无线传感器网络节点定位方法，其特征是，所述的主从节点选择协议是指：每个网络节点运行一个随机定时器并进行倒计时，当一个网络节点i的随机定时器即将最早到期时，则该网络节点则向其所有邻居节点广播主节点更新消息，同时所有收到该主节点更新消息的网络节点停止其随机定时器并将其设定为从节点，其中：主节点更新消息是指：通过广播向邻居节点发送更新消息，宣告广播发出的网络节点为主节点。

4.根据权利要求3所述的分布式无线传感器网络节点定位方法，其特征是，所述的位置更新，包括以下步骤：

2.1)利用二次锥凸定位法生成主节点的位置更新；

2.2)当主节点的位置更新与上一次的位置估计之间的欧式距离小于0.0001时，则该主节点的位置不进行更新，并停止随机定时器；

否则更新该主节点的位置估计，以位置更新替换上一次的位置估计；

2.3)重复步骤2.1)和步骤2.2)直至所有节点的随机定时器关闭，即当所有节点的位置都不需要更新。

5.根据权利要求1所述的分布式无线传感器网络节点定位方法，其特征是，所述的利用非凸定位法进行二次位置估计，包括以下步骤：

3.1)主节点利用迭代式计算该主节点到其从节点的间距，

当主节点为未知节点时，迭代式为：

$\left|\right|v_j-x_j\left|\right|=d_{\mathrm{ij}},j\∈N_i$

其中：x_i为网络节点的位置，v_j为未知点的测量位置，a_i为锚节点的测量位置，i＝1，2，...N；

当主节点为锚节点时，迭代式为：

$x_i^k=\frac{1}{\left|N_i\right|}\underset{j\∈N_i}{\mathrm{\Σ}}(x_j+d_{\mathrm{ij}}\frac{x_i^{k-1}-x_j}{\left|\right|x_i^{k-1}-x_j\left|\right|});$

其中：N_i表示节点i的邻居节点集、x_j为网络节点x_i的所有邻居节点的当前位置估计，d_ij表示直连邻居节点i和j之间的欧氏距离估计，i＝1，2，...N；

3.2)当步骤3.1)得到的间距与第二步中得到的位置更新相比差距为10^-4～10^-2时，则该主节点不更新，并停止随机定时器；否则将二次位置更新替换该主节点在第二步中得到的位置更新；

3.3)重复步骤3.1)和步骤3.2)此过程直至所有主节点的不再进行二次位置更新，从而得到最终的网络节点定位。

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