CN102209331A - 无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法，其步骤包括：未知节点接收移动锚节点广播发送包含自身位置的信息包；对无线传感器网络区域建立二维直角坐标系，确定移动锚节点的移动路径，未知节点不断监听接受信息包，实际的通信半径是不规则的，我们定义调整后的通信半径代替实际的通信半径。当未知节点接收到接收到移动锚节点广播的三个信息包后，根据未知节点是否在接收到的任意三个移动锚节点组成的正三角形内对未知节点进行定位；本发明定位精度高、不易受环境因素的影响、且网络成本低。

Description

无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域的定位方法，尤其涉及一种无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法。

背景技术

近年来，随着微机电系统、无线通信和数字电子技术的发展，无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)在军事应用及民用等领域得到了广泛的应用，其与RFID技术相结合，在物流等领域也取得了较好的应用成果。

位置信息对WSN的应用具有至关重要的意义，事件发生的位置或信息源的位置是传感器网络传送数据的重要组成部分，因而WSN定位技术成为研究的一大热点。目前，学者们提出了很多关于WSN的定位算法，主要分为两大类：基于锚节点和非基于锚节点的WSN节点定位算法.锚节点就是可以预先获取自身位置的节点，通常采用在节点上安装GPS系统或事先人工布置.基于锚节点的定位算法用锚节点定位剩余节点.而非基于锚节点的节点定位算法主要计算节点的相对位置，生成一个WSN节点的相对位置地图，给WSN的应用带来很大的限制。但是，在基于锚节点的节点定位算法中，GPS的使用增加了WSN节点的成本，这和WSN应用的特点不符。在这种情况下，可以仅在一些可以移动的传感器节点上装备GPS，该方法具有很高的实用意义：仅在一些节点上装备GPS，不但没有过多增加成本，而且比不使用锚节点的算法获得更高的定位精度。移动节点可以使用移动机器人平台，能量不受限制。为了提高定位精度和定位效率，移动锚节点的路径规划成为研究的基本问题。

当传感器被散布到传感区域(Region of Interest，ROI)中后，移动锚节点开始在它们中穿行，同时以一定的发射功率广播信息数据包，信息数据包中含有该锚节点的坐标。锚节点节点附近(信标信号传输范围内)的传感器节点可以接收到信标数据包，每个节点在收到包时都测量一下接收信号强度指标(Received Signal Strength Indication，简称RSSI)并计算到锚节点的距离，根据到锚节点的距离值以及信标数据包中附带的信标位置(x_b，y_b)，每个节点计算自身位置的约束条件。当各节点获取3个以上信标数据包时即可通过三边测量法计算出自身的坐标。基于移动锚节点进行传感器节点定位具有一些明显的优点：首先，大量减少了需要的锚节点数量，从而降低了成本；其次，由于锚节点数量较少(理想情况下只需要1个信标)，因此，用户可以控制锚节点的移动路径、广播锚节点数据包的位置(简称发射位置)，从而提高定位效率和改善定位效果。然而这些定位算法都没有考虑无线传输的不规则形对定位算法的影响，RSSI技术是一旦RSSI值确定，发送节点与接收节点之间的距离即可确定，反之亦然。然而，在不规则传输模型中，接收信号的方向不同，RSSI值也不同。因此，当用无线传输模型不规则时，RSSI技术将降低定位的性能。

最早对无线传输的不规则性进行建模研究的是T.He等人，提出了DOI(Degree of Irregularity)模型。该模型的主要思想是将传输的范围分为两个边界即上边界和下边界，当接收点与发送者的距离低于下边界时，接收方会可靠地接收到数据，并且传输链路可认为是对称的；而当距离大于上边界是，接收方就超出了两点的可能通信范围；当接收点到发射方的距离间于上下边界时，接收性能将取决于不同方向实际的信号强度，有可能是对称链路也有可能是非对称链路。当DOI＝0时，是一种规则传输。DOI＝0.01时，不规则性变得就非常明显了，但是处在小圆内的节点其数据是可以被传输的。这种模型的不足是，未将周围的环境影响及干扰等参数引入到模型去。

发明内容

本发明的目的是：提供一种定位精度高、不易受环境因素的影响、而且网络成本低的无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、移动锚节点广播发送包含自身位置的信息包；

b、未知节点接收移动锚节点发送的信息包；

c、对无线传感器网络区域建立二维直角坐标系，在二维直角坐标系内分布一个或若干个未知节点，确定移动锚节点的移动路径，移动锚节点每隔固定周期移动，移动锚节点移动的路径为正三角形，且以移动锚节点所在位置为圆心，通信半径为r×(1-DOI)的圆所广播的信息包包括该时刻移动锚节点的位置信息和该时刻的时间；

d、未知节点不断监听接受信标信息，我们定义调整后的通信半径代替实际的通信半径，调整后的通信半径是r×(1-DOI)，设置信息包之间的距离是r×(1-DOI)；根据未知节点是否在接收到的任意三个移动锚节点组成的正三角形内对未知节点进行定位；

其中，DOI为传输模型的不规则度，r为理想的通信半径。

在上述的无线传感器网络中不规则传输模型的定位方法，所述判断未知节点是否在接收到的任意三个移动锚节点组成的正三角形内对未知节点进行定位具体为：

当未知节点接收到移动锚节点广播的三个信息包后，若该三个信息包的位置组成正三角形，且未知节点位于正三角形内，则通过三边测量法，获得未知节点的位置信息；

由于不规则度可影响定位算法，若未知节点接收不到信息包，则增加通信半径到2r×(1-DOI)，锚节点信息包之间的距离仍是r×(1-DOI)，未知节点能够接收到四组呈正三角形的信息包，每一组可通过三边测量法计算出未知节点的坐标，我们以这四个坐标的平均值做为未知节点的估计位置。

在上述的无线传感器网络中不规则传输模型的定位方法，所述移动锚节点与未知节点间距离采用接收信号强度方法测量。

在上述的无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法中，所述的移动锚节点具有GPS定位装置，移动锚节点向其周围的未知节点广播包含其位置信息和自身ID的信标信息数据包，移动锚节点的通信范围不规则的。

与现有技术相比，本发明所具有的积极效果是：

(1)定位过程中不需要额外的通信开销，仅仅通过接收信号强度即可完成定位，并且移动锚节点按照正三角形路径移动，移动定位精度最高；

(2)对网络的节点密度没有限制，无论是在密集网络还是在稀疏网络中，对定位精度没有影响，从而有很好的扩展性，不易受环境影响；

(3)本发明只需要一个移动锚节点，即可获知无线传感器网络区域内所有未知节点的位置信息，降低了网络的成本。

移动锚节点的通信半径是不规则的，符合实际情况，易于在现实环境中实施，并且定位精度高。

附图说明

图1为本发明无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法的流程图；

图2为不规则模型对定位影响的示意图；

图3为不规则度模型中未知节点的接受概率的示意图；

图4为移动锚节点移动路径实施例1的示意图；

图5为移动锚节点移动路径实施例2的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的无线传感器网络中不规则传输模型的定位方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明较佳实施例的无线传感器网络中不规则传输模型的定位方法，包括如下步骤：

a、移动锚节点广播发送包含自身位置的信息包；

b、未知节点接收移动锚节点发送的信息包；

c、对无线传感器网络区域建立二维直角坐标系，在二维直角坐标系内分布一个或若干个未知节点，确定移动锚节点的移动路径，移动锚节点每隔固定周期移动，移动锚节点移动的路径为正三角形，且以移动锚节点所在位置为圆心，通信半径为r×(1-DOI)的圆所广播的信息包包括该时刻移动锚节点的位置信息和该时刻的时间；

d、未知节点不断监听接受信标信息，我们定义调整后的通信半径代替实际的通信半径，调整后的通信半径是r×(1-DOI)，设置信息包之间的距离是r×(1-DOI)；根据未知节点是否在接收到的任意三个移动锚节点组成的正三角形内对未知节点进行定位；其中，DOI为传输模型的不规则度，r为理想的通信半径。当未知节点接收到移动锚节点广播的三个信息包后，若该三个信息包的位置组成正三角形，且未知节点位于正三角形内，则通过三边测量法，获得未知节点的位置信息；

由于不规则度可影响定位算法，若未知节点接收不到信息包，则增加通信半径到2r×(1-DOI)，锚节点信息包之间的距离仍是r×(1-DOI)，未知节点能够接收到四组呈正三角形的信息包，每一组可通过三边测量法计算出未知节点的坐标，我们以这四个坐标的平均值做为未知节点的估计位置。

由于通信范围是不规则的，可计算出调整后的通信半径，使得未知节点在移动锚节点的通信范围内，未知节点在不规则传输模型下接收到移动锚节点广播信息包的概率值为：

假设A_i是所有锚节点界标的集合，如果未知节点U_i不能和锚节点A_i通信，我们将不能定位未知节点。然而，在不规则模型中，锚节点A_i不能检测是否未知节点U_i在其通信范围内。我们用未知节点U_i和锚节点A_i之间的距离来判断是否未知节点U_i在其通信范围内，如果距离d(U_i，A_i)＜r×(1-DOI)，则未知节点接收信息的概率p_i＝1，如果在

U(0，1)是[0，1]之间的随机分布。接收概率p_i＝1，意味着未知节点一定能接收到锚节点，否则接点之间的通信是不确定的。

现在我们假设S是一跳的锚节点界标集合，基于以上的分析，我们定义接收概率Pi表示如下：

$p_i=\left\{\begin{array}{c}\begin{array}{cc}0,& \&Exists;A_i\&Element;S,d(U_i,A_i)>r\\ 1,& \&ForAll;A_i\&Element;S,d(U_i,A_i)<r\&times;(1-\mathrm{DOI})\end{array}\\ 1-(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&beta;}})(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&beta;}})(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_3\mathrm{\&beta;}}),\\ \{\&ForAll;A_{i1}\&Element;S_1,r\&times;(1-\mathrm{DOI})\&le;d(U_i,A_{i1})\&le;r\}\&cup;\{\&ForAll;A_{i2}\&Element;S_2,r\&times;(1-\mathrm{DOI})\&le;d(U_i,A_{i2})\&le;r\}U\\ \{\&ForAll;A_{i3}\&Element;S_3,r\&times;(1-\mathrm{DOI})\&le;d(U_i,A_{i3})\&le;r\}\\ 1-(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&beta;}})(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_3\mathrm{\&beta;}}),\\ \{\&ForAll;A_{i1}\&Element;S_1,d(U_i,A_{i1})<r\&times;(1-\mathrm{DOI})\}\&cup;\{\&ForAll;A_{i2}\&Element;S_2,r\&times;(1-\mathrm{DOI})\&le;d(U_i,A_{i2})\&le;r\}U\\ \{\&ForAll;A_{i3}\&Element;S_3,r\&times;(1-\mathrm{DOI})\&le;d(U_i,A_{i3})\&le;r\}\end{array}\right.$

其中：d(U_i，A_i)为锚节点A_i与未知节点U_i之间的距离，DOI为传输模型的不规则度，r为理想的通信半径，S是一跳的锚节点界标集合，α＝d(U_i，A_i)-r×(1-DOI)，λ、β为测量的参数。

如果距离d(U_i，A_i)＜r×(1-DOI)，则未知节点接收信息的概率p_i＝1，如果d(U_i，A_i)＞r，p_i＝0，在

U(0，1)是[0，1]之间的随机分布。接收概率p_i＝1，意味着未知节点一定能接收到锚节点，否则接点之间的通信是不确定的。其中，λ＝0.5，β＝0.5，DOI＝0.2，r＝100，α₁＝4，α₂＝8，α₃＝12，则 $e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&beta;}}=0.3657,$ $e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&beta;}}=0.2402,$ $e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_3\mathrm{\&beta;}}=0.1752,$ 可计算出未知节点接收到三个锚节点的概率是 $1-(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_1\mathrm{\&beta;}})(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&beta;}})(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{\mathrm{\&alpha;}}_3\mathrm{\&beta;}})=0.6008.$

当移动锚节点按照正三角形的路径移动并广播发送包含自身位置的信息包；通过计算可知移动锚节点的的定位误差区域S_p： $S_p={2\mathrm{\&epsiv;}}^2(\tan \frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{1,2}}}{2}+\tan \frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{2,3}}}{2}+\tan \frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{3,1}}}{2}),$ 当

时，定位的误差区域S_p达到最小为

即三个信息包组成为正三角形，其中ε是距离测量误差，α_1，2，α_2，3，α_3，1三个信息包所组成的正三角形的三个边长之间的夹角，从而可知移动锚节点的移动路径确定为正三角形；

如图4所示，若未知节点(x，y)接收到的三个信标信息组成的三角形为正三角形，且三个信标信息的位置为((x₀，y₀)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃))，则未知节点(x，y)根据接收到的该三个信标信息通过三边测量法即可计算出该未知节点的位置，即通过 ${(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2=d_0^2,{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=d_2^2,{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2=d_3^2,$ 获得未知节点的坐标(x，y)；

如图5所示，未知节点(x′，y′)未收到锚节点的信息，则增加通信半径到2r×(1-DOI)，但是锚节点界标之间的距离仍是r×(1-DOI)。未知节点能够接收到四组呈正三角形(ΔACI，ΔBHJ，ΔDFK，ΔEGL)的锚节点信息，每一组可通过三边测量法计算出未知节点的坐标为(x_i，y_i)，i＝1，2，3，4，我们以这四个坐标的平均值

做为未知节点的估计位置(x，y)。

作为本发明的另一个创新点在于，在移动锚节点具有GPS定位装置，作为定位未知节点的参考节点，移动锚节点向其周围的未知节点广播包含其位置信息和自身ID的信标信息数据包，移动锚节点的通信范围是不规则的。

本发明具有简单可靠、且定位精度高的优点，只用了一个移动锚节点就实现了传感器未知节点的定位，降低了对硬件的要求，节省了网络成本，根据区域优化策略，可以对不规则区域进行优化，使定位精度最优，可扩展性强，移动锚节点采用正三角性的移动路径，移动路径短，使得未知节点定位精度高，且研究的传输模型是不规则的，具有广泛的应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、移动锚节点广播发送包含自身位置的信息包；

b、未知节点接收移动锚节点发送的信息包；

c、对无线传感器网络区域建立二维直角坐标系，在二维直角坐标系内分布一个或若干个未知节点，确定移动锚节点的移动路径，移动锚节点每隔固定周期移动，移动锚节点移动的路径为正三角形，且以移动锚节点所在位置为圆心，通信半径为r×(1-DOI)的圆所广播的信息包包括该时刻移动锚节点的位置信息和该时刻的时间；

d、未知节点不断监听接受信标信息，我们定义调整后的通信半径代替实际的通信半径，调整后的通信半径是r×(1-DOI)，设置信息包之间的距离是r×(1-DOI)；根据未知节点是否在接收到的任意三个移动锚节点组成的正三角形内对未知节点进行定位；

其中，DOI为传输模型的不规则度，r为理想的通信半径。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中不规则传输模型的定位方法，其特征在于：所述判断未知节点是否在接收到的任意三个移动锚节点组成的正三角形内对未知节点进行定位具体为：

当未知节点接收到移动锚节点广播的三个信息包后，若该三个信息包的位置组成正三角形，且未知节点位于正三角形内，则通过三边测量法，获得未知节点的位置信息；

由于不规则度可影响定位算法，若未知节点接收不到信息包，则增加通信半径到2r×(1-DOI)，锚节点信息包之间的距离仍是r×(1-DOI)，未知节点能够接收到四组呈正三角形的信息包，每一组可通过三边测量法计算出未知节点的坐标，我们以这四个坐标的平均值做为未知节点的估计位置。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中不规则传输模型的定位方法，其特征在于：所述移动锚节点与未知节点间距离采用接收信号强度方法测量。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中不规则传输模型下的节点定位方法，其特征在于：所述的移动锚节点具有GPS定位装置，移动锚节点向其周围的未知节点广播包含其位置信息和自身ID的信标信息数据包，移动锚节点的通信范围是不规则的。

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