CN102905365A - 一种无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络节点定位方法，该方法利用测距技术选择机制，根据距锚节点跳数的不同，选择不同的测距技术，并对跳数为2时所产生的距离越界现象进行分析，采用越界归界的方法缩小误差，在得到待定位节点距各个锚节点的距离信息后，选择距离待定位节点最近的5个锚节点参与最终定位，将这5个锚节点分为三个一组，过滤三点共线的锚节点组，其他各组进行三边定位，最终求平均，得到最终坐标。

Description

一种无线传感器网络节点定位方法

技术领域

本发明是针对节点随机分布、网络拓扑动态变化的无线传感器网络中节点定位的解决方案。主要用于解决无线传感器网络中节点精确定位问题，属于无线传感器网络应用技术领域。 

背景技术

无线传感器网络（WSNs, wireless sensor networks）是一种无基础设施的无线网络，它是由部署在监测区域内的大量微型的、廉价的、低功耗的传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关（Sink node）是一个特殊的节点，可以通过 Internet、移动通信网络、卫星以及飞越网络上空的无人机等与监控中心通信(如图1所示)。WSNs具有广泛的应用前景，从军事应用、目标追踪、环境检测、空间探索、灾难拯救到智能家居，无线传感器网络的研究日渐重要。而节点定位作为其应用的前提和基础，已成为无线传感器网络研究领域的一大热点。 

目前节点的定位思想主要有基于测距(rang-based)的定位和无须测距(range-free)的定位。前者通过实际测量获得节点间距离或角度信息，使用三边或多边定位完成节点定位；后者根据网络联通性和锚节点密度，利用规则的节点分布或跳数来定位。RSSI与DV-Hop分别为基于测距与无须测距定位的典型代表，又由于实际应用中要求传感器节点低功耗和低成本，RSSI和DV-Hop定位算法得到了广泛应用。 

在基于RSSI的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收信号强度计算出信号的传播损耗，利用理论或经验模型将传输损耗转化为距离，再用三边测量法或极大似然估计法计算出节点的位置，其统计模型如下： 

$P\left(d\right)=P_0-10n_p\lg \frac{d}{d_0}---\left(1\right)$

其中，P(d)为在距离d处的信号强度，np为路径损耗因子，范围在2到4之间，P0是在参考距离d0处的信号强度(dBm)。信号传输过程中的信道衰落和噪声干扰使得传输距离的估测存在误差，传输距离越远，则引入的误差越大， RSSI算法对距离敏感。 

DV-Hop算法由3个阶段组成。首先，使用典型的距离矢量交换协议，使网络中所有节点获得距锚节点的跳数；然后，在获得其他锚节点位置和跳数之后，锚节点计算网络平均每跳距离作为校正值，通过泛洪广播至网络。每个节点仅接受获得的第1个校正值，确保绝大多数节点可从最近的锚节点接收校正值。节点根据跳数和校正值计算与锚节点之间的距离；最后，当未知节点获得与3个或更多锚节点的距离时，即可利用三边测量法或极大似然估计定位。根据统计学原理，利用统计平均每跳距离来估计实际距离，当跳数为1时，引入误差最大，DV-Hop算法对1跳敏感。 

综上所述，由于RSSI算法对距离的敏感，以及DV-Hop算法对1跳的敏感，造成了两种算法测距误差较大，而影响最终的定位误差。通过引入测距技术选择机制，避开RSSI与DV-Hop算法敏感区域，保证定位精度。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种针对节点随机分布、网络拓扑动态变化的无线传感器网络中节点定位的解决方案，来解决无线传感器网络中节点精确定位问题。 

技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，通过引入测距技术选择机制以及锚节点组过滤机制，避开RSSI与DV-Hop算法敏感区域，过滤定位误差高的锚节点组，从而控制节点定位精度。 

1、测距技术选择 

针对RSSI测距对距离的敏感以及DV-Hop对1跳的敏感，可以在得到待定位节点到锚节点的跳数以及每跳平均距离以后，根据跳数的不同选择不同的测距技术，以有效的减小测距误差。在得到所有锚节点到待定位节点距离信息后，选取距离待定位节点最近的N（N>3）个锚节点，利用三边测量法进行定位。实验表明，当100个节点（含锚节点）随机分布在100m×100m正方形区域、节点通信半径R=30m，N=5时，被选取的锚节点中距待定位节点跳数(hop)为1的锚节点占被选锚节点的比例为50%左右，跳数为2的锚节点占40%左右。因此降低一跳与两跳测距误差，可以有效降低平均测距误差。 

当hop=1时，运用RSSI测距技术估计距离，不仅测距误差小，同时还能避 免用平均每跳距离估计带来的不确定误差。 

当hop>2时，则使用DV-Hop中的距离估计算法，将跳数与平均每跳距离的乘积作为估计距离。 

当hop=2时，存在距离越界现象(如图2)。即待定位节点到指定锚节点跳数为2，R为节点通信半径，r₁表示待定位节点到中继节点的距离，r₂表示中继节点到锚节点的距离，r表示待定位节点到锚节点的距离。其中r₁、r₂为运用RSSI测距技术所得的估计距离，而r为运用DV-Hop中测距技术所得的估计距离。理论上r的取值范围应为[R，r₁+r₂]，但实际存在r超出取值范围的现象，称其为“距离越界”。使用越界归界测距，用最接近r的边界值代替距离越界的r，减小误差。 

2、锚节点选择 

本发明考虑的应用场景为节点随机分布、网络拓扑动态变化的二维平面上的节点定位。理论上，待定位节点需要至少获得该节点距3个锚节点的距离信息就能实现节点定位。然而锚节点的选择方案会引入不同的定位误差，本发明采用如下方案提高定位精度。 

（1）锚节点集合构建。根据锚节点距待定位节点估计距离从小到大依次选择，加入锚节点集合，限定集合中锚节点数N=5，为锚节点组的选择提供足够多的选择方案的同时，也避免了锚节点不必要的能量损耗。 

（2）锚节点组的选择。锚节点之间的拓扑形状会在很大程度上影响节点定位的结果，为此引入参量共线度a来衡量锚节点间共线程度。锚节点拓扑形状主要在两种情况下会带来较大的定位误差。一种是三个锚节点接近共线时，如图3(a)所示；另一种是两个锚节点非常接近，同时又距第三个锚节点较远，如图3(b)所示。当三个锚节点趋进共线时，其估计位置将会是两个，将严重影响定位精度。过滤排除共线度a>0.95的锚节点组，对其它组进行三边测量法定位，对所得结果求平均，作为待定位节点的最终定位坐标。共线度a计算公式如下： 

$\mathrm{\α}=\frac{r_3}{r_1+r_2}---\left(2\right)$

其中，r₁，r₂，r₃为三个锚节点两两之间的距离，且r₃≥r₂≥r₁。 

3、方法流程 

方法流程如图5，方法步骤为： 

Step 1：使用距离矢量交换协议，获得到待定位节点距锚节点跳数，并计算平均每跳距离。 

Step 2：采用RSSI与DV-Hop联合测距技术，根据跳数(hop)选择测距技术： 

hop=1时，根据接收到的信号强度利用RSSI测距技术估计距锚节点距离； 

hop=2时，采用越界归界测距估计距锚节点距离； 

hop>2时，采用跳数与平均每跳距离乘积估计距锚节点距离。 

Step 3 :选择距离待定位节点最近的5个锚节点，加入锚节点集合S，定义三个锚节点为一组，从集合S中选取满足共线度要求的锚节点组，利用三边测量法计算得出待定位节点位置坐标，最后将各组所得坐标求平均确定最终定位坐标。 

有益效果 

本发明针对节点随机分布、网络拓扑动态变化的无线传感器网络环境下的节点精确定位，提出了一种解决方案。利用测距技术选择机制，避开RSSI与DV-Hop定位敏感区，控制距离越界现象，减小测距误差，根据距离最近原则，构建锚节点集合，集合中三个锚节点构成一个锚节点组，过滤共线的锚节点组，提高定位精度。 

附图说明

图1是无线传感器网络通信体系结构图。 

图2是距离越界示意图。 

图3是锚节点拓扑图。 

图4是节点随机分布模拟图。 

图5是定位方法流程图。 

具体实施方式

根据图4场景图，其中，空心点代表未知节点，实心点代表锚节点，结合图5给出的定位流程图，对0节点进行定位的过程如下： 

1.使用距离矢量交换协议，获得到0节点距各锚节点跳数(hop)，0节点距1-8号节点的跳数依次为1，1，2，2，2，3，3，3，以及不同锚节点间跳数，已知锚节点坐标，得锚节点间距离，锚节点间距离与跳数做比值，计算平均每跳距离。 

2.采用RSSI与DV-Hop联合测距技术，根据上面得到的跳数选择不同的测距技术，利用RSSI测距技术估计距1、2号锚节点距离，采用越界归界测距估计距3、4、5号锚节点距离，采用跳数与平均每跳距离乘积估计距7、8、9号锚节点距离。 

3.选择距离0节点最近的5个锚节点(即1、2、3、4、5号锚节点)，加入锚节点集合S，定义S中每三个锚节点为一组，计算每组的共线度，得由1、3、4号锚节点组成的锚节点组以及2、4、5号锚节点组成的锚节点组共线度接近1，故过滤之，利用三边测量法计算各组估计0节点位置坐标，最后将各组所得坐标求平均确定最终定位坐标。 

Claims (6)

1.一种联合RSSI与DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于包括两个阶段：

    阶段1即测距阶段：估计待定位节点距锚节点距离；

    阶段2即定位阶段：对待定位节点定位。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于所述阶段1包括以下步骤：

    步骤一，使用距离矢量交换协议，获得到待定位节点距锚节点跳数，并计算平均每跳距离；

    步骤二，根据跳数即hop不同选择不同的测距技术。

3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于所述阶段2包括以下步骤：

    步骤一，选择距离待定位节点最近的5个锚节点，加入锚节点集合S，定义每三个锚节点为一组；

步骤二，计算每组锚节点共线度，选取满足共线度要求的锚节点组；

步骤三，利用三边测量法计算得出待定位节点位置坐标，最后将各组所得坐标求平均确定最终定位坐标。

4.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于所述步骤二中，测距技术选择方法为：

    hop=1时，根据接收到的信号强度利用RSSI测距技术估计距锚节点距离；

    hop=2时，采用越界归界测距估计距锚节点距离；

    hop>2时，采用跳数与平均每跳距离乘积估计距锚节点距离。

5.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于所述步骤二中，按如下公式计算每个锚节点组的共线度：

                                                   

    其中，r ₁，r ₂，r ₃为三个锚节点两两之间的距离，且r ₃≥r ₂≥r ₁。

6.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于所述越界归界测距中，包括以下步骤：

    步骤一，根据节点通信半径R，待定位节点到中继节点的距离r ₁，中继节点到锚节点的距离r ₂，确定待定位节点到锚节点的距离r的取值范围[R，r ₁+r ₂]；

    步骤二，估计距离r超出取值范围时，用最接近r的边界值代替距离越界的r。

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