CN103152825A - 一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，该分布式方法包括：信标节点初始化阶段；信标节点计算平均每跳距离阶段；多边定位法进行被定位节点坐标计算阶段；被定位节点坐标修正阶段。本发明能够支持在网络中部分节点位置信息已知的情况下对无线传感器网络节点进行定位，并能在满足定位所需的其它条件下更好的提高定位算法的精度。

Description

一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，特别是涉及一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法。

背景技术

无线传感器网络定位技术作为无线传感器领域的关键技术之一，在网络的信息监控、路由策略、拓扑均衡等方面都有着重要的价值，因此深入研究适用于无线传感器网络的定位技术对于无线传感器网络的研究具有重要的意义。

无线传感器网络节点成本低、能量有限、拓扑变化快等特点对其定位算法提出了特定的要求。在网络中部分节点位置信息已知的情况下，通过分布式的定位算法去计算其它节点的位置信息是无线传感器网络常用的定位手段。

而在分布式非测距算法中，通常是将待定位节点与信标节点之间的距离用网络的平均每跳距离和节点之间最短路径的跳数之积来表示，然后使用三边测量法等获得待定位节点的位置信息。然而，这种方法的误差主要来源于使用了跳段距离代替了实际的距离。从网络拓扑结构中我们可以直观的看到非邻居节点的跳段路径通常不是直线，而在相关算法中我们恰恰是用非直线代替了实际的直线距离，这样就存在两方面的误差，首先在计算网络平均每跳距离时，计算出来的平均每跳距离会偏小，其次，计算出的跳段距离在拓扑上大于实际距离。这就造成了我们不知道通过算法计算出的跳段距离与实际距离相比是大了还是小了。

发明内容

本发明是针对现有无线传感器网络定位中的分布式非测距算法中计算网络平均每跳距离偏小和计算出的跳段距离在拓扑上大于实际距离的不足之处，提出的一种可以提高定位精度的利用校正节点对定位结果进行修正的适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法。

本发明分布式方法中，在一定的小区域内，节点接收到的平均每跳距离与距离信标节点的跳数应该是接近的，所以在这个区域内定位误差的走向应该是一致的，进而在现有的分布式非测距定位方法中加入了用某个已知节点的误差走向对范围内其它节点的位置进行修正的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，该方法包括如下步骤：

1）信标节点初始化阶段；

2）获取信标节点的平均每跳距离；

3）利用多边定位法获取被定位节点的坐标；

4）对所述被定位节点的坐标进行修正。

所述信标节点初始化阶段的具体步骤为：

101）在信标节点中选取部分节点作为校正节点；

102）所述信标节点向所有的邻居节点广播一个分组，分组中包含该信标节点的ID号、信标节点的坐标、跳数、以及TTL时间，跳数的初始值被设置为0；

103）邻居节点接收到该分组后，将跳数加1，然后继续向非来源方向的其它邻居节点广播该消息，进而通过这种Flooding的方式，每个信标节点都将自己的信息传递给整个网络；

104）如果某节点接收到来自属于一个信标节点的多个分组信息，这时此节点将会保留含有最小跳数值的分组用于保证该节点所保存的跳数值是它到此信标节点的最短路径。

经过此过程，网络中包括信标节点在内的所有节点都可以得到每个信标节点的坐标，以及到每个信标节点的对应最小跳数。

所述的信标节点计算平均每跳距离阶段的具体步骤为：

201）网络中的所有信标节点在获得其它信标节点的位置与相距的最小跳数后，计算平均每跳距离；

202）信标节点将自身计算出的平均每跳距离以Flooding的方式广播给网络中的其它节点，节点在接收到第一个平均每跳距离后丢弃后来者，保证自己是从最近信标节点获取平均每跳距离。

所述的多边定位法进行被定位节点坐标计算阶段的具体步骤为：

301）确定节点1,2,3,…,n的坐标分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)…(x_n,y_n)，且各个节点到中心节点的距离分别为d₁,d₂,d₃,…,d_n，中心节点的坐标为(x,y)，各个坐标之间满足下列关系：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2=d_1^2\\ \·\·\·\\ {(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2=d_n^2\end{array}\right.$

302）从第一个方程开始，依次减去最后一个方程，可以得到，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2-2(x_1-x_n)x+y_1^2-y_n^2-2(y_1-y_n)y=d_1^2-d_n^2\\ \·\·\·\\ x_{n-1}^2-x_n^2-2(x_{n-1}-x_n)x+y_{n-1}^2-y_n^2-2(y_{n-1}-y_n)y=d_{n-1}^2-d_n^2\end{array}\right.$

以Ax=b形式线性表示：

$A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)\\ \·\·\·& \·\·\·\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2+y_1^2-y_n^2+d_n^2-d_1^2\\ \·\·\·\\ x_{n-1}^2-x_n^2+y_{n-1}^2-y_n^2+d_n^2-d_{n-1}^2\end{array}\right]$

$X=\left[\begin{array}{c}x\\ \·\·\·\\ y\end{array}\right]$

303）采用最小均方估计法得到待定位节点的坐标如下：

X=(A^TA)^-1A^TB

所述的被定位节点坐标修正阶段的具体步骤为：

401）获取所有待定位节点自身的位置信息(x_i,y_i)，而所有校正节点还存在一个坐标真值，假设校正节点R的真实位置坐标为(x_ri,y_ri)，那么可以根据下式计算R节点附近的定位偏移量，

$R_i=\left[\begin{array}{c}{x}_i-x_{\mathrm{ri}}\\ y_i-y_{\mathrm{ri}}\end{array}\right]$

402）该校正节点向其邻居节点广播一个消息分组，分组中包括自身收到的平均跳数距离与偏移量，邻居节点收到该分组后，检查分组中的平均跳数距离与自身第二阶段存储的平均跳数距离是否相同，若不同则丢弃，若相同则说明自身与该分组来源的校正节点存在相同的偏移量，则根据如下公式校正位置信息：

(x,y)=(x_m,y_m)-R_i

其中，(x_m,y_m)为初次定位后的位置坐标，(x,y)为修正后的位置坐标。

本发明的优点在于：

本发明能够支持在网络中部分节点位置信息已知的情况下对无线传感器网络节点进行定位，并能在满足定位所需的其它条件下更好的提高定位算法的精度。

附图说明

图1：本发明方法流程框图；

图2：多边定位法示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法流程框图，以下对本发明分布式定位方法进行详细说明，本发明主要包括如下几个步骤。

1.信标节点初始化：在信标节点中选取部分节点作为校正节点，通常这个比例不会大于20%，在该步骤中校正节点按照信标节点的方式进行处理。首先，信标节点向所有的邻居节点广播一个分组，分组中包含该信标节点的ID号、信标节点的坐标、跳数、以及TTL时间，跳数的初始值被设置为0。邻居节点接收到该分组后，将跳数加1，然后继续向非来源方向的其它邻居节点广播该消息，进而通过这种Flooding的方式，每个信标节点都将自己的信息传递给整个网络。如果节点接收到来自同一个信标节点的多个分组信息，这说明存在该节点到此ID的信标节点的多条路径，这时该节点将会保留含有最小跳数值的分组，而忽略其它分组，用来保证了该节点所保存的跳数值是它到该信标节点的最短路径。经过此过程，网络中包括信标节点在内的所有节点都可以得到每个信标节点的坐标，以及到每个信标节点的对应最小跳数。

2.信标节点计算平均每跳距离模块：网络中的所有信标节点在获得其它信标节点的位置与相距的最小跳数后，可根据下式来计算平均每跳距离：

$d_i=\frac{\mathrm{\Σ}\sqrt{{(x_i-y_i)}^2+{(y_i-y_j)}^2}}{{\mathrm{\Σn}}_{(i,j)}}$

其中d_i为信标节点i的平均每跳距离，校正节点按照待定位节点处理。信标节点将自身计算出的平均每跳距离以Flooding的方式广播给网络中的其它节点，节点在接收到第一个平均每跳距离后丢弃后来者，保证自己是从最近信标节点获取平均每跳距离。

3.多边定位法进行被定位节点坐标计算模块：如图所示，节点1,2,3,…,n的坐标分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)…(x_n,y_n)，到中心节点的距离分别为d₁,d₂,d₃,…,d_n，中心节点的坐标为(x,y)，如图2所示为多边定位法示意图。

那么存在以下公式,

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2=d_1^2\\ \·\·\·\\ {(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2=d_n^2\end{array}\right.$

从第一个方程开始，依次减去最后一个方程，可以得到，

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2-2(x_1-x_n)x+y_1^2-y_n^2-2(y_1-y_n)y=d_1^2-d_n^2\\ \·\·\·\\ x_{n-1}^2-x_n^2-2(x_{n-1}-x_n)x+y_{n-1}^2-y_n^2-2(y_{n-1}-y_n)y=d_{n-1}^2-d_n^2\end{array}\right.$

以Ax=b形式线性表示：

$A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)\\ \·\·\·& \·\·\·\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2+y_1^2-y_n^2+d_n^2-d_1^2\\ \·\·\·\\ x_{n-1}^2-x_n^2+y_{n-1}^2-y_n^2+d_n^2-d_{n-1}^2\end{array}\right]$

$X=\left[\begin{array}{c}x\\ \·\·\·\\ y\end{array}\right]$

最后，采用最小均方估计法得到待定位节点的坐标如下：

X=(A^TA)^-1A^TB

4.被定位节点坐标修正阶段：此时，所有待定位节点都已经获取自身的位置信息(x_i,y_i)，而所有校正节点还存在一个坐标真值，假设校正节点R的真实位置坐标为(x_ri,y_ri)，那么可以根据下式计算R节点附近的定位偏移量，

$R_i=\left[\begin{array}{c}{x}_i-x_{\mathrm{ri}}\\ y_i-y_{\mathrm{ri}}\end{array}\right]$

然后该校正节点向其邻居节点广播一个消息分组，分组中包括自身收到的平均跳数距离与偏移量，邻居节点收到该分组后，检查分组中的平均跳数距离与自身第二阶段存储的平均跳数距离是否相同，若不同则丢弃，若相同则说明自身与该分组来源的校正节点存在相同的偏移量，则可根据如下公式校正位置信息：

(x,y)=(x_m,y_m)-R_i

其中，(x_m,y_m)为初次定位后的位置坐标，(x,y)为修正后的位置坐标。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

1）信标节点初始化阶段； 

2）获取信标节点的平均每跳距离； 

3）利用多边定位法获取被定位节点的坐标； 

4）对所述被定位节点的坐标进行修正。 

2.根据权利1所述的一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，其特征在于，所述信标节点初始化阶段的具体步骤为： 

101）在信标节点中选取部分节点作为校正节点； 

102）所述信标节点向所有的邻居节点广播一个分组，分组中包含该信标节点的ID号、信标节点的坐标、跳数、以及TTL时间，跳数的初始值被设置为0； 

103）邻居节点接收到该分组后，将跳数加1，然后继续向非来源方向的其它邻居节点广播该消息，进而通过这种Flooding的方式，每个信标节点都将自己的信息传递给整个网络； 

104）如果某节点接收到来自属于一个信标节点的多个分组信息，这时此节点将会保留含有最小跳数值的分组用于保证该节点所保存的跳数值是它到此信标节点的最短路径。 

3.根据权利1所述的一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，其特征在于，所述的信标节点计算平均每跳距离阶段的具体步骤为： 

201）网络中的所有信标节点在获得其它信标节点的位置与相距的最小跳数后，计算平均每跳距离； 

202）信标节点将自身计算出的平均每跳距离以Flooding的方式广播给网络中的其它节点，节点在接收到第一个平均每跳距离后丢弃后来者，保证自己是从最近信标节点获取平均每跳距离。 

4.根据权利1所述的一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，其特征在于，所述的多边定位法进行被定位节点坐标计算阶段的具体步骤为： 

301）确定节点1,2,3,…,n的坐标分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)…(x_n,y_n)，且各个节点到中心节点的距离分别为d₁,d₂,d₃,…,d_n，中心节点的坐标为(x,y)，各个坐标之间满足下列关系： 

302）从第一个方程开始，依次减去最后一个方程，可以得到， 

以Ax=b形式线性表示： 

303）采用最小均方估计法得到待定位节点的坐标如下： 

X=(A^TA)^-1A^TB 。

5.根据权利1根据权利1所述的一种适用于无线传感器网络的分布式非测距定位方法，其特征在于，所述的被定位节点坐标修正阶段的具体步骤为： 

401）获取所有待定位节点自身的位置信息(x_i,y_i)，而所有校正节点还存在一个坐标真值，假设校正节点R的真实位置坐标为(x_ri,y_ri)，那么可以根据下式计算R节点附近的定位偏移量， 

402）该校正节点向其邻居节点广播一个消息分组，分组中包括自身收到的平均跳数距离与偏移量，邻居节点收到该分组后，检查分组中的平均跳数距离与自身第二阶段存储的平均跳数距离是否相同，若不同则丢弃，若相同则说明自身与该分组来源的校正节点存在相同的偏移量，则根据如下公式校正位置信息： 

(x,y)=(x_m,y_m)-R_i

其中，(x_m,y_m)为初次定位后的位置坐标，(x,y)为修正后的位置坐标。 

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