CN102740458A - 无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，涉及无线网络技术领域，具体包括信标节点计算移动路线，计算出路线上的信标采集点的位置；信标节点按照移动路线进行移动，并在路线计算中得到的采集点上向未知节点发出定位请求；收到定位请求的未知节点对信标节点返回响应信息；信标节点通过未知节点的响应信息估测与未知节点之间的位置关系，计算定位结果。本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，使得未知节点的位置计算负担由能量充足的信标节点集中的来完成，有效节省未知节点自身的计算能耗。

Description

无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法。

背景技术

无线传感器的应用越来越广泛，研究它的人也越来越多。无线传感器网络的定位技术是其若干重要研究领域中的一个。近年来，定位技术引起了研究者的广泛兴趣，研究者们从不同角度研究该领域中的各种问题，这其中包括定位效率，定位精度，以及定位安全等热点问题。

在无线传感器网络节点定位中，具有自身定位功能、获得自身位置的节点称为信标节点，需要借助信标节点提供的位置信息作为参照从而完成定位的节点称为未知节点。在定位过程中，由于未知节点的能量有限，尽量减少未知节点的计算和通信能耗就成为了一个关键问题。然而，现有的定位方法缺乏同时兼顾未知节点的能耗，又不对信标节点的数量等因素有过多限制的定位方法。

因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，使得未知节点的位置计算负担由能量充足的信标节点集中的来完成，有效节省未知节点自身的计算能耗，并且通过建立数学模型，设计出信标节点的移动路线，使信标节点在该路线上移动地收集未知节点的相关信息的效率高，从而在降低未知节点能耗的前提下稳定、高效地完成定位过程。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，包括：

信标节点计算移动路线，计算出路线上的信标采集点的位置；

信标节点按照移动路线进行移动，并在路线计算中得到的采集点上向未知节点发出定位请求；

收到定位请求的未知节点对信标节点返回响应信息；

信标节点通过未知节点的响应信息估测与未知节点之间的位置关系，计算定位结果。

进一步地，所述的无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，还包括以下步骤：

信标节点根据网络的实际尺寸和自身的通信半径，计算其移动的路线以及需要的最少采集点数量；

根据信标节点移动模型的覆盖形式，信标节点计算移动路线中覆盖整个网络的最少采集点的坐标。

进一步地，按照信标节点移动模型的覆盖形式求得的信标节点移动路线及采集点坐标需要满足以下条件：

以这些采集点坐标为圆心，信标节点的通信半径的通信范围内，矩形网络中各节点都能收到信号且信标节点采集点个数最少。

进一步地，信标节点估测出的与未知节点之间的位置关系包括它们之间的相对角度，以及通过信号到达时间差计算出的相对距离，从而对未知节点的位置进行定位计算。

综上，本发明提供的无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，可以降低未知节点的能量消耗，使大部分的定位计算量由能量充足的信标节点来完成；由于用于定位的相关信息采集是由移动信标节点完成的，因此相比由未知节点担任信息采集的任务提高了安全性，因为网络中唯一的信标节点的安全性的维护比网络中众多的未知节点的安全性维护更加容易保证。

附图说明

图1是本发明无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法的流程示意图；

图2是本发明的信标采集点之间的位置关系示意图；

图3是本发明的信标节点移动路线图；

图4是本发明的信标节点和未知节点的位置关系示意图；

图5是使用本发明与没有使用本发明的未知节点定位误差比较的仿真结果图；

图6是使用本发明与没有使用本发明的未知节点平均定位误差在不同尺寸网络下的比较仿真结果图；

图7是使用本发明与没有使用本发明的未知节点定位成功率在不同尺寸网络下的比较仿真结果图；

图8是使用本发明与没有使用本发明的未知节点平均定位误差在不同节点通信半径时的比较仿真结果图；

图9是使用本发明与没有使用本发明的未知节点定位成功率在不同节点通信半径时比较的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，给出一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法的流程示意图，具体的包括：

（1）信标节点计算移动路线，计算出路线上的信标采集点的位置；

（1.1）建立信标节点的信号覆盖模型；

信标节点在移动路线上的采集点需要满足对无线传感器网络全覆盖，并且数量最少，从而提高定位的效率，信标节点的信号覆盖范围可以看作是以信标采集点为圆心，信标节点的传输半径为半径的圆形区域。而网络为矩形，若想使得圆形区域无缝隙地覆盖矩形网络区域，那么圆形之间必定存在互相覆盖的区域，因此，首先，我们要确定这些代表信号可达区域的圆形的重叠状态；

对于圆形信号区域在矩形网络区域中的放置，可以设想为先存在相互重叠的圆，再放置矩形网络外框的方式；发现当矩形的一些边与圆与圆相交的弦重合时最优，当所有圆的相交的面积相等时，每个圆形相互重叠时产生的弦所构成的多边形为正多边形，因此该问题又可看成是用圆内相切的正多边形去覆盖矩形面积；

设矩形被正p边形划分，(p≥3),α为正p边形的内角,所以

我们设q为矩形中的多边形顶点处需要覆盖的多边形的个数，则

q是自然数，则有

则正多边形的边数p为 $p=\frac{2q}{q-2}=\frac{2(q-2)+4}{q-2}=2+\frac{4}{q-2},$ 由上述分析可以看出p,q均为自然数，因此得出以下三种情况： $\left\{\begin{array}{c}q=3\\ p=6\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}q=4\\ p=4\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}q=6\\ p=3\end{array}\right.;$ 即在将矩形划分成正多边形的情况时，只可能是正六角形、正四边形、正三边形这三种情况；

如图2所示为信标采集点之间的位置关系示意图，相接的圆之间相交的部分面积用S_c来表示，图中的扇形和三角形面积分别用S_s，S_t来表示。有S_c＝2(S_s-S_t)，而

其中χ表示扇形圆心角的度数，

相交部分的面积占圆面积的比例为x,则S_c＝xπR²，所以，三种划分方法都符合临界比例公式有而当p=3,4,6时，χ=120°,90°,60°，此时x＝0.39,0.18,0.06，可见，以正六边形相切的形式覆盖矩形是最为高效的，此时信号覆盖重叠范围的面积最少，因此我们采用正六边形相接的形式部署移动信标节点的采集点位置，这也与蜂窝网络原理的思想相吻合；

（1.2）计算网络中需要信标采集点的最少数量；

矩形网络区域的尺寸是M米*N米，信标节点和未知节点的信号半径为R。我们用m表示奇数行所用的信号圆形区域的个数，n表示每个完整列所用的信号圆形区域的个数。有 $l=2\·R\·\cos \frac{\mathrm{\π}}{5}=\sqrt{3}R,$ $d=R\·\sin \frac{\mathrm{\π}}{6},$ 当n为奇数时，

n为偶数时，

计算m值， $\sqrt{3}r\&CenterDot;(m-1)<M\&le;\sqrt{3}r\&CenterDot;m,$ 计算网络中需要最少采集点的个数,用P表示整个网络必须采集点的总个数，

（1.3）计算信标采集点的坐标；

按照信标节点信号覆盖模型以及图2所示的覆盖方式计算出信标节点采集点的坐标；

（2）信标节点按照移动路线进行移动，具体参见图3给出的信标节点移动路线图，并在路线计算中得到的采集点上向未知节点发出定位请求；

（3）收到定位请求的未知节点对信标节点返回响应信息；

（4）信标节点通过未知节点的响应信息估测与未知节点之间的位置关系，计算定位结果。

具体实施步骤为：

信标节点估算出的与未知节点之间的相关位置消息包括它们之间的相对角度，以及通过信号到达时间差计算出的相对距离。

信标节点通过有向天线阵列感应到其所接收的未知节点发送过来的信息的估计方向角度θ，通过基于到达时间差的测距方法可以估算出未知节点和信标节点之间的相对距离，根据这些信息计算未知节点的位置。如图4所示信标节点和未知节点的位置关系示意图，角度存在±Δθ的误差，距离上存在±Δd的误差。这样，为了提高定位结果的精度，未知节点的位置计算结果是角度区间为{(θ-Δθ)，(θ+Δθ)}，长度区间为{(d-Δd)，(d+Δd)}的区域的质心。

这种定位方法适用于对于定位精度要求不是很高，但需要快速定位的网络。因此，若想提高定位精度，可以增加移动信标节点采集点的数量，搜集到更多的未知信息提供给基站，用极大似然估计法对于未知节点的位置计算，从而提高定位的精度。

为了验证本发明在无线传感器网络中的定位效果，需要计算未知节点的定位误差。定位误差的计算方法如公式 $e_U=\sqrt{{(x_U-x_U^{\&prime;})}^2+{(y_U-y_U^{\&prime;})}^2}$ 其中(x_U,y_U)表示未知节点U根据周围信标节点提供的位置信息估算出的定位坐标，(x′_U,y′_U)表示未知节点U的真实坐标。

1．在800米*800米的矩形区域中随机部署50个传感器节点作为未知节点进行定位，未知节点的通信半径设为100米，未知节点和信标节点之间的随机测距误差和随机角度误差分别为区间[0,0.05],[0,0.05*π]中的随机值。根据定位误差公式可以得到50个未知节点的定位误差（如图5给出的使用本发明与没有使用本发明的未知节点定位误差比较的仿真结果图）；

2．为验证本发明对于不同尺寸的网络模型的定位效果，分别在500米*500米，600米*600米，700米*700米，800米*800米，900米*900米，1000米*1000米的矩形区域中随机部署100个传感器节点作为未知节点进行定位，未知节点的通信半径设为100米，未知节点和信标节点之间的随机测距误差和随机角度误差分别为区间[0,0.05],[0,0.05*π]中的随机值。根据定位平均误差公式N表示未知节点的个数，可以得到100个未知节点的平均定位误差及定位成功率，定位成功率的计算公式为

（如图6，7使用本发明与没有使用本发明的未知节点平均定位误差以及定位成功率在不同尺寸网络下的比较仿真结果图）；

3．为验证本发明对于不同规格的传感器节点的定位效果，在600米*600米的矩形区域中随机部署100个传感器节点作为未知节点进行定位，未知节点和信标节点之间的随机测距误差和随机角度误差分别为区间[0,0.05],[0,0.05*π]中的随机值，未知节点的通信半径分别为50米，60米，70米，80米，90米和100米时，根据定位平均误差公式可以得到100个未知节点的平均定位误差及定位成功率（如图8，9），可以看出本发明在相同信标采集点个数的情况下，本发明使得未知节点的定位误差能够保持在一个较稳定的情况，并且提升了定位成功率。

在具体实施示例中，安全定位过程通过四个阶段，有效降低了未知节点计算自身位置的计算负担，省去了未知节点自己将信息传送给基站的通信负担，并且由于大部分的采集、发送数据都是由可信任的移动信标节点进行完成的，降低了定位过程中的安全风险。由仿真实验结果可以看出，本发明对移动信标节点在定位过程中的采集点计算模型可以快速确定高效的覆盖情况，稳定未知节点定位误差及定位成功率。本发明主要适用于未知节点分布较为均匀的无线传感器网络。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上对本发明所提供的一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，其特征在于，包括：。

信标节点计算移动路线，计算出路线上的信标采集点的位置；

信标节点按照移动路线进行移动，并在路线计算中得到的采集点上向未知节点发出定位请求；

收到定位请求的未知节点对信标节点返回响应信息；

信标节点通过未知节点的响应信息估测与未知节点之间的位置关系，计算定位结果。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，其特征在于，还包括以下步骤：

信标节点根据网络的实际尺寸和自身的通信半径，计算其移动的路线以及需要的最少采集点数量；

根据信标节点移动模型的覆盖形式，信标节点计算移动路线中覆盖整个网络的最少采集点的坐标。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，其特征在于，按照信标节点移动模型的覆盖形式求得的信标节点移动路线及采集点坐标需要满足以下条件：

以这些采集点坐标为圆心，信标节点的通信半径的通信范围内，矩形网络中各节点都能收到信号且信标节点采集点个数最少。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于移动信标的集中式定位方法，其特征在于，信标节点估测出的与未知节点之间的位置关系包括它们之间的相对角度，以及通过信号到达时间差计算出的相对距离，从而对未知节点的位置进行定位计算。

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