CN103067962B - 无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法 - Google Patents

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一种无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法，包括各信标节点采用基于信标节点间信号强度观测的评分机制和信标节点间漂移检测的协商机制，在信标节点评分机制方面，通过各个信标节点通过相互观测之间的RSSI变化情况，计算RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量，然后进行评分；在信标节点间漂移检测的协商机制方面，信标节点之间相互告知其评分结果，各个信标节点根据邻居信标节点评分结果调整自身评分结果，并根据最后评分结果判断自身是否发生漂移。本发明通信开销较小、兼顾运算速度和结果精度。

Description

无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络中信标节点漂移的检测方法。
背景技术
无线传感器网络中的定位技术一般通过节点间的信息交换和协同处理，自动计算出节点地理位置坐标。在定位过程中，一般存在两种类型的节点：一种是少量的已知自身地理位置信息的，被称为信标节点(Beacon)，可通过人工布设和测量来获得自身的位置信息；另一种是大量的未知自身地理位置信息的，被称为未知节点或待定位节点。无线传感器网络节点的自我定位需要根据少数已知位置的信标节点，按照某种定位机制确定未知节点的地理位置。
定位问题自无线传感器网络发展初期便引起广泛重视，国内外研究者在此方面已开展了较为深入而广泛的研究。根据定位过程是否实际测量节点间距离，可把定位技术大致分为两类：基于距离的（Range-Based）定位机制和距离无关的（Range-Free）定位机制。前者如文献[1]Mao GQ,Fidan B,Anderson BDO.Wireless sensor networklocalization techniques[J].Computer Networks,51(10):2529-2553,2007.所述，通过各种手段测量节点间点到点的实际距离等信息，然后使用三边测量法等计算未知节点位置，典型的如RSSI、TOA、TDOA和AOA等。距离无关的定位机制如文献[2]Stoleru R,He T,and StankovicJA.Secure Localization and Time Synchronization for Wireless SensorandAd Hoc Networks[M].Springer2007:3-32.所述，无需实际距离信息，仅根据网络连通性等信息对节点间的距离进行估计和确定包含未知节点的可能区域，从而确定未知节点的位置，典型的如APIT算法、质心算法、DV-Hop算法等。目前，大多数无线传感器网络定位方法均依据信标节点的精确位置来实现未知节点的定位，其前提是这些信标节点的位置信息是可靠已知的。
在实际应用环境中，往往会遇到信标节点本身发生非预期的移动（即漂移），致使信标节点本身的位置信息就是模糊的、误差不可接受的或失去估计可信度的。此时就会因信标节点的位置信息发生了误差，导致未知节点定位结果出现错误。此时，需要对发生漂移的信标节点进行检测，并在未知节点定位时加以处理（如剔除漂移信标节点），方能保证定位精度。然而，目前针对此问题的研究较少。Kuo等人在文献[3]Kuo SP，Kuo HJ,Tseng YC,Lee YF.Detecting movement ofbeaconsin location trACKing wireless sensor networks[A].In proceeding of theIEEE66th Vehicular Technology Conference[C],2007,362-366.和文献[4]Kuo SP，Kuo HJ,Tseng YC.The beacon movem ent detection problemin wireless sensor networks for localization applications[J].IEEETransactions on Mobile Computing,2009,8(10):1326-1338.中提出了一种基于信标节点间接收信号强度变化的集中式信标节点移动检测方法。其主要问题在于：该方法是一个需求解NP完全问题的集中式算法，当网络规模较大时，通信开销将会很大，运算速度和结果精度会产生矛盾。
发明内容
为了克服已有无线传感器网络中信标节点漂移的检测方法的通信开销较大、不能兼顾运算速度和结果精度的不足，本发明提供一种通信开销较小、兼顾运算速度和结果精度的无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法，所述漂移检测方法包括以下步骤：
（1）迭代次数c置0，在组网时刻，信标节点向邻居信标节点发送HELLO包，执行步骤（2）；
（2）信标节点得到邻居信标节点发送的HELLO包，根据公式记录RSSI行向量；
式中，0<i≤m，0<j≤n，oij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI行向量Oi(t)中第j个元素，RSSIij表示信标节点bi与邻居信标节点bj之间观察得到的RSSI值，s表示信标节点通信灵敏度，n表示信标节点bi的邻居信标节点数，m表示无线传感器网络中信标节点数；
在等待u时刻后，执行步骤（3）；
（3）信标节点开始进行协商，向邻居信标节点发送REQ数据包，REQ包中含有当前迭代次数c，执行步骤（4）；
（4）收到REQ数据包的信标节点判断迭代次数c是否大于等于1，如是则在返回ACK数据包时包含在第c-1次迭代时的评分结果，否则不包含在第c-1次迭代时的评分结果，执行步骤（5）；
（5）信标节点等待ACK数据包，待收到来自所有邻居信标节点的ACK数据包或超过了设定的超时时间tmax后，记录新的RSSI行向量，并根据公式：
计算得到RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量，式中，0<i≤m，0<j≤n，pij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI变化行向量Pi(t)第j个元素，qij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI未变化行向量Qi(t)第j个元素，δ表示阈值，n表示信标节点bi的邻居信标节点数，m表示无线传感器网络中信标节点数；如迭代次数c大于1，则执行步骤（6），否则执行步骤（7）；
（6）将评分结果大于阈值λ的邻居信标节点从RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量中剔除，执行步骤（7）；
（7）根据公式进行评分，式中Sri(t)表示信标节点bi的在t时刻的评分结果，0<i≤m，m表示无线传感器网络中信标节点数，k表示加权值，NQi(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI未变化行向量Qi(t)中1的个数，执行步骤（8）；
（8）信标节点判断迭代次数c是否达到最大值cmax，若达到最大值cmax，则执行步骤（9），若没有达到最大值cmax，则迭代次数c=c+1，并执行步骤（3）；
（9）如信标节点评分结果大于阈值λ，则判断自身为漂移信标节点，否则判断自身为未漂移信标节点，等待u时刻后执行步骤（3）。
本发明的技术构思为：各信标节点采用基于信标节点间信号强度观测的评分机制和信标节点间漂移检测的协商机制。在信标节点评分机制方面，通过各个信标节点通过相互观测之间的RSSI变化情况，计算RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量，然后进行评分。在信标节点间漂移检测的协商机制方面，信标节点之间相互告知其评分结果，各个信标节点根据邻居信标节点评分结果调整自身评分结果，并根据最后评分结果判断自身发生漂移。
本发明的有益效果主要表现在：通信开销较小、兼顾运算速度和结果精度。
附图说明
图1是本发明所述无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法流程图。
图2是本发明所述无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法中的HELLO数据包格式。
图3是本发明所述无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法中的REQ数据包格式。
图4是本发明所述无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法中的ACK数据包格式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法，用以判定信标节点是否发生漂移；
每个信标节点依据给定的评分机制对本身进行评分，然后和周围信标节点采用给定的协商机制进行协商，最后确定自身为漂移或未漂移信标节点。如图1，信标节点工作流程如下：
（1）迭代次数c置0，组网时刻，信标节点向邻居信标节点发送HELLO包，HELLO数据包格式见图2,执行步骤（2）；
（2）信标节点得到邻居信标节点发送的HELLO包，根据公式记录RSSI行向量；
式中，0<i≤m，0<j≤n，oij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI行向量Oi(t)中第j个元素，RSSIij表示信标节点bi与邻居信标节点bj之间观察得到的RSSI值，s表示信标节点通信灵敏度，n表示信标节点bi的邻居信标节点数，m表示无线传感器网络中信标节点数；
等待u时刻，执行步骤（3）；
（3）信标节点开始进行协商，向邻居信标节点发送REQ数据包，REQ数据包格式见图3，REQ包中含有当前迭代次数c，执行步骤（4）；
（4）收到REQ数据包的信标节点判断迭代次数c是否大于等于1，如是则在返回ACK数据包时包含在第c-1次迭代时的评分结果，否则不包含在第c-1次迭代时的评分结果，执行步骤（5）；
（5）信标节点等待ACK数据包，ACK数据包见图4待收到来自所有邻居信标节点的ACK数据包或超过了设定的超时时间tmax（推荐值为120秒）后，记录新的RSSI行向量，并根据公式
计算得到RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量，式中，0<i≤m，0<j≤n，pij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI变化行向量Pi(t)第j个元素，qij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI未变化行向量Qi(t)第j个元素，δ表示阈值（该值为网络中RSSI测量的标准差σ的2倍），n表示信标节点bi的邻居信标节点数，m表示无线传感器网络中信标节点数；如迭代次数c大于1，则执行步骤（6），否则执行步骤（7）；
（6）将评分结果大于阈值λ（推荐值为0）的邻居信标节点从RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量中剔除，执行步骤（7）；
（7）根据公式进行评分，式中Sri(t)表示信标节点bi的在t时刻的评分结果，0<i≤m，m表示无线传感器网络中信标节点数，k表示加权值（推荐值为信标节点通信灵敏度s的），NQi(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI未变化行向量Qi(t)中1的个数。执行步骤（8）；
（8）信标节点判断迭代次数c是否达到最大值cmax（推荐值为1），若达到最大值cmax，则执行步骤（9），若没有达到最大值cmax，则迭代次数c=c+1，并执行步骤（3）；
（9）如信标节点评分结果大于阈值λ，则判断自身为漂移信标节点，否则判断自身为未漂移信标节点，等待u时刻后执行步骤（3）。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络中分布式信标节点漂移检测方法，其特征在于：
所述漂移检测方法包括以下步骤：
(1)迭代次数c置0，在组网时刻，信标节点向邻居信标节点发送HELLO包，执行步骤(2)；
(2)信标节点得到邻居信标节点发送的HELLO包，根据公式 记录RSSI行向量；
式中，0<i≤m，0<j≤n，oij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI行向量Oi(t)中第j个元素，RSSIij表示信标节点bi与邻居信标节点bj之间观察得到的RSSI值，s表示信标节点通信灵敏度，n表示信标节点bi的邻居信标节点数，m表示无线传感器网络中信标节点数；
在等待u时刻后，执行步骤(3)；
(3)信标节点开始进行协商，向邻居信标节点发送REQ数据包，REQ包中含有当前迭代次数c，执行步骤(4)；
(4)收到REQ数据包的信标节点判断迭代次数c是否大于等于1，如是则在返回ACK数据包时包含在第c-1次迭代时的评分结果，否则不包含在第c-1次迭代时的评分结果，执行步骤(5)；
(5)信标节点等待ACK数据包，待收到来自所有邻居信标节点的ACK数据包或超过了设定的超时时间tmax后，记录新的RSSI行向量，并根据公式：
计算得到RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量，式中，0<i≤m，0<j≤n，pij(t))表示t时刻信标节点bi的RSSI变化行向量Pi(t)第j个元素，qij(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI未变化行向量Qi(t)第j个元素，δ表示RSSI变化阈值，n表示信标节点bi的邻居信标节点数，m表示无线传感器网络中信标节点数；如迭代次数c大于1，则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)；
(6)将评分结果大于漂移检测阈值λ的邻居信标节点从RSSI变化行向量和RSSI未变化行向量中剔除，执行步骤(7)；
(7)根据公式进行评分，式中Sri(t)表示信标节点bi的在t时刻的评分结果，0<i≤m，m表示无线传感器网络中信标节点数，k表示加权值，NQi(t)表示t时刻信标节点bi的RSSI未变化行向量Qi(t)中1的个数，执行步骤(8)；
(8)信标节点判断迭代次数c是否达到最大值cmax，若达到最大值cmax，则执行步骤(9)，若没有达到最大值cmax，则迭代次数c＝c+1，并执行步骤(3)；
(9)如信标节点评分结果大于漂移检测阈值λ，则判断自身为漂移信标节点，否则判断自身为未漂移信标节点，等待u时刻后执行步骤(3)。
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