CN101931866B - 用于移动无线传感器网络的节点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，包括以下步骤：分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置初始位置可信度标志值，初始位置坐标与初始速度矢量；节点以时间T为周期，周期性的广播其定位信息，同时接收其邻居节点广播的定位信息，且通过接收到的邻居节点的信号强度得到这两个节点间的粗估位置；对待定位节点分别进行位置枚举处理、速度更新处理和位置可信度重估处理，得到待定位节点新的位置坐标、新的速度矢量和新的位置可信度标志值；当前周期结束后，开始新的周期，重新对网络中的节点进行定位。本发明只需少数已知具体位置的节点，就可在快速移动的无线传感器网络实现节点定位服务，且定位简单、准确度高。

Description

用于移动无线传感器网络的节点定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种用于移动无线传感器网络的节点定位方法。

背景技术

随着无线传感器网络技术的飞速发展，无线传感器网络已经开始进入人们生产、生活的各个方面。由于它们有着体积小，重量轻，结构简单，省电节能，价格低廉等优点，为人们的生产生活带来了巨大的便利。与此同时，由于无线通信技术的进步，越来越多的人开始使用无线检测定位的服务，即通过检测接收无线信号，达到定位的目的。这方面比较成功的产品有GPS(全球定位系统)，手机定位服务等。利用无线移动传感器网络实现定位功能可以在较低的成本上提供定位服务，对于小规模的移动定位服务具有一定的应用价值。

从现有技术文献的检索发现，现有的定位服务一般都是基于卫星或者基站的准确定位服务，它们需要较大的工作功率，较复杂的设备，较大的工作带宽，并且需要在使用范围内建立许多固定位置的基站，或者发送地球卫星用于定位服务。使用基站作为固定位置的定位服务只能在基站数目较多的地区进行，在偏远的地方无法使用。而使用卫星定位的系统，虽然可以在大部分地区使用，但服务成本较大，并且定位需要一定的时间跟踪卫星，终端能耗较高。而现有的基于无线传感器网络的节点定位方法大多适用于节点数目密集，位置变化缓慢的准确位置估计服务。它们对于节点位置快速频繁变化，节点密度相对稀疏，但对于位置只需粗略估计的应用无法达到理想的效果。以上种种特性，导致这些方法并不适应在偏远地区的提供低成本的快速移动位置估计服务，比如旅游团希望掌握游客的位置，或者跟踪大量野生动物的位置等应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于移动无线传感器网络的节点定位方法。本发明只需要少数已知具体位置的固定或移动的节点，就可以在整个快速移动的无线传感器网络实现节点定位服务，且定位简单、准确度较高。

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，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置初始位置可信度标志值、初始位置坐标与初始速度矢量。

所述的初始位置可信度标志值，是：位置已知的节点的初始位置可信度标志值为1，其余节点的初始位置可信度标志值为0，且位置可信度标志值的取值范围是：[0，1]。

所述的初始位置坐标，是：位置已知的节点的初始位置坐标就是其已知的位置坐标，其余节点的初始位置坐标是(0，0)。

所述的初始速度矢量，是(0，0)。

第二步，节点以时间T为周期，周期性的广播其定位信息，同时接收其邻居节点广播的定位信息，且通过接收到的邻居节点的信号强度得到这两个节点间的粗估位置。

所述的定位信息，包括：节点编号、节点位置可信度标志值和位置坐标。

第三步，对待定位节点分别进行位置枚举处理，得到待定位节点新的位置坐标；

对待定位节点分别进行速度更新处理，得到待定位节点新的速度矢量；

对待定位节点分别进行位置可信度重估处理，得到待定位节点新的位置可信度标志值。

所述的位置枚举处理，包括以下步骤：

1)粗枚举：所对应的(x_bw，y_bw)为待定位节点i的粗枚举位置，其中：

$f(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{[\sqrt{{(x-{\mathrm{pos}}_j^x)}^2+{(y-{\mathrm{pos}}_j^y)}^2}-{\mathrm{dis}}_{i,j}]}^2\·{\mathrm{cr}}_j}{n}+\mathrm{cv}\·[{(\frac{x-{\mathrm{pos}}_i^x}{T}-v_i^x)}^2+{(\frac{y-{\mathrm{pos}}_i^y}{T}-v_i^y)}^2],$

其中：

是待定位节点i位置枚举前的位置坐标，cr_j为待定位节点i的邻居节点j的位置可信度标志值，dis_i，j为待定位节点i到其邻居节点j的粗估位置，n为待定位节点i接收到的发送定位信息的邻居节点的个数，cv为速度参考权重，

为待定位节点i位置枚举前的速度矢量，a和b都为整数，wstep为粗枚举步长；

2)细枚举：min[f(x_bw+c·nstep，y_bw+d·nstep)]所对应的(x_bn，y_bn)为待测节点i的新的位置坐标，其中：x′＝x_bw+c·nstep，y′＝y_bw+d·nstep，

$f(x^{\′},y^{\′})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{[\sqrt{{(x^{\′}-{\mathrm{pos}}_j^x)}^2+{(y^{\′}-{\mathrm{pos}}_j^y)}^2}-{\mathrm{dis}}_{i,j}]}^2\·{\mathrm{cr}}_j}{n}+\mathrm{cv}\·[{(\frac{x^{\′}-{\mathrm{pos}}_i^x}{T}-v_i^x)}^2+{(\frac{y^{\′}-{\mathrm{pos}}_i^y}{T}-v_i^y)}^2],$

其中：

是待定位节点i位置枚举前的位置坐标，(x_bw，y_bw)是待定位节点i的粗枚举位置，cr_j为待定位节点i的邻居节点j的位置可信度标志值，dis_i，j为待定位节点i到其邻居节点j的粗估位置，n为待定位节点i接收到的发送定位信息的邻居节点的个数，cv为速度参考权重，

为待定位节点i位置枚举前的速度矢量，c和d都为整数，nstep为细枚举步长。

所述的wstep的取值范围是：0.5m-50m。

所述的cv的取值范围是：0-1。

所述的nstep的取值范围是：0.1m-10m。

所述的速度更新处理，是：

$v_i^{x^{\′}}=\frac{x_{\mathrm{bn}}-{\mathrm{pos}}_i^x}{T},$ $v_i^{y^{\′}}=\frac{y_{\mathrm{bn}}-{\mathrm{pos}}_i^y}{T},$

其中：

是待定位节点i的新的速度矢量，

是待定位节点i的更新前的位置坐标，(x_bn，y_bn)是待定位节点i的新的位置坐标。

所述的位置可信度重估处理，是：

${{\mathrm{cr}}_i}^{\′}=\min (\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{cr}}_j}{K},{\mathrm{cr}}_m),$

其中：K为正实数，cr_m为(0，1)之间的常数，cr_i′是待定位节点i的新的位置可信度标志值，cr_j是待定位节点i接收到发送定位信息的邻居节点j的位置可信度标志值。

第四步，当前周期结束后，返回第二步，开始新的周期，重新对网络中的节点进行定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(i)适应节点位置变化范围大的应用；(ii)只需要少数已知具体位置的固定或移动的节点，就可以估计出整个网络其它节点的位置；(iii)方法的执行是分布式的，每个节点可计算出自己的位置，对数据丢失不敏感；(iv)使用两步精确法，使方法复杂度降低；(v)基于估计位置的可信度进行新的位置估计，提高估计准确度；(vi)基于速度的连贯性进行新的位置估计，增加邻居节点较少时的估计准确度，最终本发明的复杂度低，器件要求简单，准确度较高。

附图说明

图1是仿真时间为30s时实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图。

图2是仿真时间为100s时实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图。

图3是仿真时间为180s时实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图。

图4是仿真时间为300s时实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图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。

实施例

本实施例的移动无线传感器网络环境参数如下：传输半径20米，周期间隔时间2秒，节点数为24个，其中：4个节点为固定位置的位置可信度标志值等于1的节点，1个为移动的位置可信度标志值等于1的节点，场景大小为60米×60米，仿真时间360秒。

本实施例包括如下具体步骤：

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置初始位置可信度标志值，初始位置坐标与初始速度矢量。

所述的初始位置可信度标志值，是：位置已知的节点的初始位置可信度标志值为1，其余节点的初始位置可信度标志值为0，且位置可信度标志值的取值范围是：[0，1]。

所述的初始位置坐标，是：位置已知的节点的初始位置坐标就是其已知的位置坐标，其余节点的初始位置坐标是(0，0)。

所述的初始速度矢量，是(0，0)，且本实施例中速度矢量(v^x，v^y)的取值范围是： $0m/s\≤\sqrt{{\left(v^x\right)}^2+{\left(v^y\right)}^2}\≤10m/s.$

本实施例中0号节点为移动节点但其位置实时可知，故0号节点的初始位置可信度标志值为1；1号节点到19号节点的初始位置可信度标志值为0；20号节点到23号节点为固定位置的节点且其初始位置可信度标志值都为1。

本实施例以场景中心为原点建立直角坐标系，则本实施例中所有节点的横坐标的绝对值小于或者等于30m，所有节点的纵坐标的绝对值也小于或者等于30m。

第二步，节点以时间2s为周期，周期性的广播其定位信息，同时接收其邻居节点广播的定位信息，且通过接收到的邻居节点的信号强度得到这两个节点间的粗估位置。

所述的定位信息，包括：节点编号、节点位置可信度标志值和位置坐标。

第三步，对待定位节点分别进行位置枚举处理，得到待定位节点新的位置坐标；

对待定位节点分别进行速度更新处理，得到待定位节点新的速度矢量；

对待定位节点分别进行位置可信度重估处理，得到待定位节点新的位置可信度标志值。

所述的位置枚举处理，包括以下步骤：

1)粗枚举：

所对应的(x_bw，y_bw)为待定位节点i的粗枚举位置，其中：

$f(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{[\sqrt{{(x-{\mathrm{pos}}_j^x)}^2+{(y-{\mathrm{pos}}_j^y)}^2}-{\mathrm{dis}}_{i,j}]}^2\·{\mathrm{cr}}_j}{n}+\mathrm{cv}\·[{(\frac{x-{\mathrm{pos}}_i^x}{T}-v_i^x)}^2+{(\frac{y-{\mathrm{pos}}_i^y}{T}-v_i^y)}^2],$

其中：

是待定位节点i位置枚举前的位置坐标，cr_j为待定位节点i的邻居节点j的位置可信度标志值，dis_i，j为待定位节点i到其邻居节点j的粗估位置，n为待定位节点i接收到的发送定位信息的邻居节点的个数，cv为速度参考权重，为待定位节点i位置枚举前的速度矢量，a和b都为整数且其取值范围是[-6，6]，wstep为粗枚举步长；

2)细枚举：min[f(x_bw+c·nstep，y_bw+d·nstep)]所对应的(x_bn，y_bn)为待测节点i的新的位置坐标，其中：x′＝x_bw+c·nstep，y′＝y_bw+d·nstep，

$f(x^{\′},y^{\′})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{[\sqrt{{(x^{\′}-{\mathrm{pos}}_j^x)}^2+{(y^{\′}-{\mathrm{pos}}_j^y)}^2}-{\mathrm{dis}}_{i,j}]}^2\·{\mathrm{cr}}_j}{n}+\mathrm{cv}\·[{(\frac{x^{\′}-{\mathrm{pos}}_i^x}{T}-v_i^x)}^2+{(\frac{y^{\′}-{\mathrm{pos}}_i^y}{T}-v_i^y)}^2],$

其中：

是待定位节点i位置枚举前的位置坐标，(x_bw，y_bw)是待定位节点i的粗枚举位置，cr_j为待定位节点i的邻居节点j的位置可信度标志值，dis_i，j为待定位节点i到其邻居节点j的粗估位置，n为待定位节点i接收到的发送定位信息的邻居节点的个数，cv为速度参考权重，

为待定位节点i位置枚举前的速度矢量，c和d都是整数且其取值范围都是[-6，6]，nstep为细枚举步长。

本实施例中wstep是0.6m，cv是0.5，nstep是0.1m。

所述的速度更新处理，是：

$v_i^{x^{\′}}=\frac{x_{\mathrm{bn}}-{\mathrm{pos}}_i^x}{T},$ $v_i^{y^{\′}}=\frac{y_{\mathrm{bn}}-{\mathrm{pos}}_i^y}{T},$

其中：

是待定位节点i的新的速度矢量，是待定位节点i的更新前的位置坐标，(x_bn，y_bn)是待定位节点i的新的位置坐标。

所述的位置可信度重估处理，是：

${{\mathrm{cr}}_i}^{\′}=\min (\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{cr}}_j}{K},{\mathrm{cr}}_m),$

其中：K为正实数(本实施例为15)，cr_m为(0，1)之间的常数(本实施例为0.2)，cr_i′是待定位节点i的新的位置可信度标志值，cr_j是待定位节点i接收到发送定位信息的邻居节点j的位置可信度标志值。

第四步，当前周期结束后，返回第二步，开始新的周期，重新对网络中的节点进行定位。

如图1所示，在仿真时间为30s时，本实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图，其中：圆形表示定位位置，方形表示实际位置，0-23为节点的实际位置编号，50-73分别对应节点0-23的定位位置编号。

如图2所示，在仿真时间为100s时，本实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图，其中：圆形表示定位位置，方形表示实际位置，0-23为节点的实际位置编号，50-73分别对应节点0-23的定位位置编号。

如图3所示，在仿真时间为180s时，本实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图，其中：圆形表示定位位置，方形表示实际位置，0-23为节点的实际位置编号，50-73分别对应节点0-23的定位位置编号。

如图4所示，在仿真时间为300s时，本实施例网络节点的实际位置和定位位置的对比示意图，其中：圆形表示定位位置，方形表示实际位置，0-23为节点的实际位置编号，50-73分别对应节点0-23的定位位置编号。

由上述四幅图可知：本实施例方法的定位精度比较高，且在位置可信度标志值等于1的节点附近的待定位节点的定位准确率接近1。

Claims (7)

1.一种用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，分别给无线传感器网络中的每个节点编号并设置初始位置可信度标志值、初始位置坐标与初始速度矢量；

第二步，节点以时间T为周期，周期性的广播其定位信息，同时接收其邻居节点广播的定位信息，且通过接收到的邻居节点的信号强度得到这两个节点间的粗估位置；

第三步，对待定位节点分别进行位置枚举处理，得到待定位节点新的位置坐标；

对待定位节点分别进行速度更新处理，得到待定位节点新的速度矢量；

对待定位节点分别进行位置可信度重估处理，得到待定位节点新的位置可信度标志值；

所述的位置枚举处理，包括以下步骤：

1)粗枚举：

所对应的(x_bw，y_bw)为待定位节点i的粗枚举位置，其中： $x={\mathrm{pos}}_i^x+a\·\mathrm{wstep},$ $y={\mathrm{pos}}_i^y+b\·\mathrm{wstep},$

$f(x,y)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{[\sqrt{{(x-{\mathrm{pos}}_j^x)}^2+{(y-{\mathrm{pos}}_j^y)}^2}-{\mathrm{dis}}_{i,j}]}^2\·c{r}_j}{n}+\mathrm{cv}\·[{(\frac{x-{\mathrm{pos}}_i^x}{T}-v_i^x)}^2+{(\frac{y-{\mathrm{pos}}_i^y}{T}-v_i^y)}^2],$

其中：是待定位节点i位置枚举前的位置坐标，cr_j为待定位节点i的邻居节点j的位置可信度标志值，dis_i，j为待定位节点i到其邻居节点j的粗估位置，n为待定位节点i接收到的发送定位信息的邻居节点的个数，cv为速度参考权重，为待定位节点i位置枚举前的速度矢量，a和b都为整数，wstep为粗枚举步长；

2)细枚举：min[f(x_bw+c·nstep，y_bw+d·nstep)]所对应的(x_bn，y_bn)为待测节点i的新的位置坐标，其中：x′＝x_bw+c·nstep，y′＝y_bw+d·nstep，

$f(x^{\′},y^{\′})=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{[\sqrt{{(x^{\′}-{\mathrm{pos}}_j^x)}^2+{(y^{\′}-{\mathrm{pos}}_j^y)}^2}-{\mathrm{dis}}_{i,j}]}^2\·c{r}_j}{n}+\mathrm{cv}\·[{(\frac{x^{\′}-{\mathrm{pos}}_i^x}{T}-v_i^x)}^2+{(\frac{y^{\′}-{\mathrm{pos}}_i^y}{T}-v_i^y)}^2],$

其中：

是待定位节点i位置枚举前的位置坐标，(x_bw，y_bw)是待定位节点i的粗枚举位置，cr_j为待定位节点i的邻居节点j的位置可信度标志值，dis_i，j为待定位节点i到其邻居节点j的粗估位置，n为待定位节点i接收到的发送定位信息的邻居节点的个数，cv为速度参考权重，为待定位节点i位置枚举前的速度矢量，c和d都为整数，nstep为细枚举步长；

所述的速度更新处理，是：

${v_i^x}^{\′}=\frac{x_{\mathrm{bn}}-{\mathrm{pos}}_i^x}{T},$ ${v_i^y}^{\′}=\frac{y_{\mathrm{bn}}-{\mathrm{pos}}_i^y}{T},$

其中：是待定位节点i的新的速度矢量，

是待定位节点i的更新前的位置坐标，(x_bn，y_bn)是待定位节点i的新的位置坐标；

所述的位置可信度重估处理，是：

$c{r_i}^{\′}=\min (\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{c{r}_j}{K},c{r}_m),$

其中：K为正实数，cr_m为(0，1)之间的常数，cr_i′是待定位节点i的新的位置可信度标志值，cr_j是待定位节点i接收到发送定位信息的邻居节点j的位置可信度标志值；

第四步，当前周期结束后，返回第二步，开始新的周期，重新对网络中的节点进行定位。

2.根据权利要求1所述的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征是，第一步中所述的初始位置可信度标志值，是：位置已知的节点的初始位置可信度标志值为1，其余节点的初始位置可信度标志值为0，且位置可信度标志值的取值范围是：[0，1]。

3.根据权利要求1所述的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征是，第一步中所述的初始位置坐标，是：位置已知的节点的初始位置坐标就是其已知的位置坐标，其余节点的初始位置坐标是(0，0)。

4.根据权利要求1所述的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征是，第一步中所述的初始速度矢量，是(0，0)。

5.根据权利要求1所述的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征是，第二步中所述的定位信息，包括：节点编号、节点位置可信度标志值和位置坐标。

6.根据权利要求1所述的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征是，所述的wstep的取值范围是：0.5m-50m。

7.根据权利要求1所述的用于移动无线传感器网络的节点定位方法，其特征是，所述的nstep的取值范围是：0.1m-10m。

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