CN102378361B - 基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、提取位置信息，步骤2、按照一定的规则增加初始球半径，使未知节点包含于该球内，将这类球命名为域锚球，这样以不同的锚节点做球心，可以找到一系列包含该未知节点的域锚球；步骤3、将空间中所有锚节点、该未知节点及域锚球分别向XOY、YOZ平面投影；步骤4、求出包含该未知节点的相交圆区域；步骤5、求出这个相交圆区域的重心坐标作为未知节点估算坐标。本发明将三维空间定位问题转换为二维平面的定位，简化了方法的复杂度，同时降低了方法的计算量，在传感器节点能量有限的情况下能取得很好的效果。

Description

基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法

技术领域

本发明涉及基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)中，节点所采集到的数据必须结合它们的被测量位置才有意义，而WSN得工作区域通常是人类不适合进入的区域或者是敌对区域。所以WSN要在这些特殊区域中应用，必须做到以最小的通信开销和硬件代价实现节点定位。

传感器网络自身定位作为无线传感器网络的关键支撑技术，对无线传感器网络的应用和基于位置的网络协议研究都有重要意义。现有定位方法大多数针对平面结构进行定位，而现实应用中的无线传感器网络节点往往分布在三维空间中，三维空间定位复杂度较二维更高，研究三维空间定位会更加符合实际节点的应用情况，分布式低计算复杂度的三维定位方法较二维方法将更有实用性和发展潜力。

在bounding cube定位方法中，根据未知节点邻居已知节点的通信范围，确定出包含有未知节点的限定立方体，然后用立方体的质心作为未知节点的估计位置。该方法具有计算简单、计算量小的特点，但是该方法缺点是对节点密度和通信半径有一定的要求，且方法对通信范围本身采取一定的近似处理，容易造成定位误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有无线传感器网络定位方法的不足，提出基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法。

本发明的原理是：利用锚节点先向周围未知节点广播自己的位置信息，确定自己通信半径内的未知节点编号，以该锚节点为球心，分别以该锚节点到附近未知节点之间的距离为半径画球，接着将半径按照一定的规则增加一个数值，待定位的未知节点必然位于球内。以不同的锚节点做球心，找到一系列包含待定位的未知节点的球，则任意一个待定位未知节点被同时包含在不同的球内，取这些球的交集作为待定位未知节点最可能存在的最小区域，取这个小区域的重心坐标作为未知节点的坐标。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、提取位置信息，锚节点以功率P向周围未知节点广播自己的位置信息，未知节点可以监听到附近锚节点的位置信息，记录这些锚节点的信号强度，利用信号强度分别计算出各锚节点与未知节点之间的距离，将所求的距离值作为以该锚节点为球心的初始球半径，并将这类球命名为点锚球；

步骤2、按照一定的规则增加初始球半径，使未知节点包含于该球内，将这类球命名为域锚球，这样以不同的锚节点做球心，可以找到一系列包含该未知节点的域锚球；

步骤3、将空间中所有锚节点、该未知节点及域锚球分别向XOY、YOZ平面投影；

步骤4、求出包含该未知节点的相交圆区域；

步骤5、求出这个相交圆区域的重心坐标作为未知节点估算坐标。

前述的一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤3中，将所投影的平面划分成许多大小相同的小正方形，取小正方形的中心点作为这个小正方形的标记点，这个标记点的坐标即代表了这个小正方形的近似坐标；

前述的一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤4中，针对该未知节点，计算各标记点到锚节点的距离，判断各标记点到锚节点的距离是否小于该锚节点的域锚球半径，如果小于，记为扫描次数增1，最后，认为被扫描次数最多的标记点位于相交圆区域内，同时记录下该标记点的坐标值Xi，Yi。

前述的一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤5中，统计该相交圆区域中标记点的个数N，然后求出标记点坐标的均值，作为该未知节点X，Y坐标的估算值，即：

前述的任意一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤2中，采用初始球半径静态增径法，即：R＝r+d，其中，R为域锚球半径，r为点锚球半径，d为固定值，d值可由人为设定。

前述的任意一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤2中，采用初始球半径动态增径法，即：

其中，R为域锚球半径，r为初始球半径，R_r为锚节点通信半径。

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，将三维空间定位问题转换为二维平面的定位，简化了方法的复杂度，同时降低了方法的计算量，在传感器节点能量有限的情况下能取得很好的效果。通过定位方法仿真表明，该方法定位精度能够满足三维空间的定位要求。

附图说明

图1是本发明方法二维投影示意图；

图2是本发明方法在规则1条件下方法仿真结果示意图；

图3是本发明方法在两种规则下方法仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

对于三维空间的定位，其计算量非常大，而传感器节点能量有限，无论是计算能力还是通信能力都有限。所以，在定位过程中，有效的降低运算复杂度，提高运算效率是十分必要的。

本方法在三维定位思路的基础上，为了降低运算量，将三维坐标分别向XOY、YOZ平面做投影，三维空间定位问题转换为二维平面的定位，参照图1，由于向平面投影后，得到的圆半径大小不变，所以，平面定位的结果真实反映了未知节点的空间位置情况，本方法可取。

本方法提出扫描标记点法概念，将平面划分成许多大小相同的小正方形，取正方形的中心点作为这个小正方形的标记点，这个标记点的坐标即代表了这个小正方形的近似坐标。

如图1所示，A、B、C分别代表一个锚节点，D代表未知节点，Z代表相交圆区域。

在步骤1中，未知节点监测到附近的锚节点信号，将这些锚节点编号保存在表1中，同时通过信号强度计算出初始球半径r，并保存在表2中。例如表1中编号为X1的未知节点所监测到的锚节点编号为20，23，32，……59，其中，经过计算，编号为20号、23号的锚节点与X1未知节点间的距离分别为3.3067、3.8091，说明这两个锚节点所对应的点锚球半径分别为为3.3067、3.8091，分别将值填入表2中X1所在行的第1、第2个位置。

表1为各未知节点保存定位所需已知节点位置信息

表2为各未知节点保存锚节点的初始球半径

在步骤2中，通过事先制定的规则计算域锚球半径R，并保存在表3中，保存规则与表2相同。

表3为各未知节点保存的锚球半径

在步骤4中，针对某一未知节点，计算各标记点到锚节点的距离，判断这个距离值是否小于表3中对应的值，如果小于表3的数值，则在表4中相应的标记点位置上增加1，记为扫描次数增1，最后，认为被扫描次数最多的标记点位于相交圆区域内，同时记录下该标记点的坐标值Xi，Yi。例如表4中2号标记点被扫描的次数达到最大值15，则确定该标记点位于相交圆区域内。

表4为某未知节点保存小正方形被扫面次数

标记点编号	1	2	3	4	5	…	n1
								扫描次数	13	15	14	15	11	…	14

在步骤5中，根据表4的数据，统计各相交区域中标记点的个数N，填入表5，综合表4、表5数据，求出表4标记点的X、Y坐标的均值，作为某未知节点X，Y坐标的估算值，即：

表5为未知节点保存标记点被扫面次数

未知节点编号	X1	X2	X3	…	Xn
						标记点个数	2336	412	318	…	479

方法仿真

本方法采用MATLAB对本方法进行仿真实验，仿真环境为在(10*10*10)的区域内随机部署1000个节点，锚节点的通信半径为5m。锚节点比例由4％增加到10％每次变化1％，即锚节点个数由40变化到100，每次增加10个锚节点。定位误差为：

$\left[{\mathrm{error}}_i\right]=\sqrt{{(x_{i\_c}-x_{i\_r})}^2+{(y_{i\_c}-y_{i\_r})}^2+{(z_{i\_c}-z_{i\_r})}^2}$

其中，(x_{i_e}，y_{i_e}，z_{i_e})为本方法估算的未知节点i的坐标，(x_{i_r}，y_{i_r}，z_{i_r})为未知节点i的实际坐标。

n个未知节点的平均定位误差为：

$\left[\stackrel{\‾}{\mathrm{error}}\right]=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{error}}_i}{n}*100\%$

实验中，本方法设定了计算锚球的2个规则，具体定义及仿真结果如下：

规则1：在求锚球半径的过程中，采用初始球半径静态增径法，即：

R＝r+d

其中，R为域锚球半径，r为点锚球半径，d为固定值，d值可由人为设定，值的大小可根据实际经验确定。在本实验中，d的值取0.1m，分别对本方法与BoundingCube定位方法进行仿真，结果如图2所示。

从图2中可以看出，仅需0.04％的锚节点(即40个锚节点)的情况下，就能将定位误差降低到31.96％。在同等条件下，本方法的平均定位误差明显比Bounding Cube定位方法要小，精度提升了48.93％。在其他条件不变的情况下，增加锚节点密度，本方法的定位误差随之降低，说明本方法的精度与锚节点的密度有很大关系。

规则2：在求锚球半径的过程中，采用初始球半径动态增径法，即：

$R=r+\frac{r}{10R_r}$

其中，R为域锚球半径，r为初始球半径，R_r为锚节点通信半径。

图3所示反映两种规则下，锚节点密度对平均定位误差影响的对比情况，图中显示在锚节点密度达到60％之前，规则2条件下的仿真结果定位精度相对比较高，在达到60％之后，两种规则下的定位精度相差不大。

表5所示在规则1条件下为任取5个未知节点，其定位过程中扫描的标记点个数。

表5为规则1中未知节点扫描标记点个数

锚节点个数

40

50

60

70

80

90

100

X_1	283	365	412	528	664	741	899
								X_2	166	365	318	373	515	533	661
X_3	202	286	328	408	549	627	741
								X_4	206	288	351	399	488	576	671
X_5	311	393	477	585	562	665	770

表6所示为规则1中的未知节点在规则2中，其定位过程中扫描的标记点个数。

表6为规则2中未知节点扫描标记点个数

锚节点个数	40	50	60	70	80	90	100
								X_1	206	270	131	154	207	234	228
X_2	67	98	131	157	152	156	152
								X_3	161	233	115	142	182	212	183
X_4	154	212	146	168	132	154	85
								X_5	280	344	344	347	185	221	252

根据表5、表6所示，在未知节点不变、锚节点密度相同的条件下，规则2所扫描的标记点个数明显比规则1少很多，即规则2的运算效率比规则1高，整个运算时间缩减至规则1的1/4左右。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (6)

1.一种基于三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、提取位置信息，锚节点以功率P向周围未知节点广播自己的位置信息，未知节点可以监听到附近锚节点的位置信息，记录这些锚节点的信号强度，利用信号强度分别计算出各锚节点与未知节点之间的距离，将所求的距离值作为以该锚节点为球心的初始球半径，并将这类球命名为点锚球；

步骤2、按照一定的规则增加初始球半径，使未知节点包含于该球内，将这类球命名为域锚球，这样以不同的锚节点做球心，可以找到一系列包含该未知节点的域锚球；

步骤3、将空间中所有锚节点、该未知节点及域锚球分别向XOY、YOZ平面投影；

步骤4、求出包含该未知节点的相交圆区域；

步骤5、求出这个相交圆区域的重心坐标作为未知节点估算坐标。

2.根据权利要求1所述的一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤3中，将所投影的平面划分成许多大小相同的小正方形，取小正方形的中心点作为这个小正方形的标记点，这个标记点的坐标即代表了这个小正方形的近似坐标。

3.根据权利要求2所述的一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤4中，针对该未知节点，计算各标记点到锚节点的距离，判断各标记点到锚节点的距离是否小于该锚节点的域锚球半径，如果小于，记为扫描次数增1，最后，认为被扫描次数最多的标记点位于相交圆区域内，同时记录下该标记点的坐标值Xi,Yi。

4.根据权利要求3所述的一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤5中，统计该相交圆区域中标记点的个数N，然后求出标记点坐标的均值，作为该未知节点X,Y坐标的估算值，即：                                                

，

。

5.根据权利要求1-4所述的任意一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤2中，采用初始球半径静态增径法，即：

，其中，R为域锚球半径，r为点锚球半径，d为固定值，d值可由人为设定。

6.根据权利要求1-4所述的任意一种三维空间锚球交域重心的无线传感器网络定位方法，其特征在于：在步骤2中，采用初始球半径动态增径法，即：

，其中，R为域锚球半径，r为初始球半径，

为锚节点通信半径。

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