CN103313390B - 一种基于双移动信标的wsn定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双移动信标的WSN定位方法，采用两个移动信标协同完成定位工作，避免了传统单信标定位带来的能耗过大，时间开销过长的问题，降低节点的能耗，减少时间开销，可应用于无线传感器网络中待定位节点的定位。

Description

一种基于双移动信标的WSN定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络WSN：WirelessSenorNetworking，具体涉及一种基于双移动信标的WSN定位方法，即H04W无线通信网络，H04W40/20基于地理位置或定位。

背景技术

无线传感器网络通过布设无线传感器节点，在无线通信组网技术、数据管理技术、传输与路由技术、节点定位与同步等技术的支持下，完成覆盖区域内的数据采集、缓存、传输及融合等任务。具有低功耗、微型化、低价格、自组织等一系列特点。近年来，伴随着微机电系统、片上系统、嵌入式系统、无线通信技术、数字技术等的发展，无线传感器网络基础设备——传感器节点的功能正越来越强、成本越来越低、体积越来越小，促进了无线传感器网络的大规模研究，其中尤以路由技术的研究最为广泛。

定位技术是无线传感器网络众多关键技术之一，WSN的某些路由机制、目标跟踪、负载均衡和拓扑控制等都依赖于网络中节点的位置信息。因此，如何有效确定网络中待定位节点的位置，对WSN的应用、运行和管理等方面有着重要作用。

在常规WSN定位方法中，通常假定网络中部署一定比例的信标节点，待定位节点通过某种机制，如测量接收信号指示强度RSSI、信号达到时间TOA、信号到达时间差TDOA和信号到达角AOA等值，估算与信标节点之间的距离，然后使用一定的方法估计自身的位置。一般来说，这类定位方法的定位效果与网络中信标节点的密度成正比，信标密度越高，定位精度越高，但网络的部署成本也相应提高。近年来，随着移动Sink技术在WSN中的应用，研究者逐渐注意到在移动Sink上配置GPS装备，使其变为移动信标节点，可以减少WSN中固定信标的部署数量，节约网络部署成本。

早期的移动信标定位技术研究，研究者主要关注如何设计信标的运动轨迹，更好地以信标运动位置替代固定信标，实现节点定位，但这一阶段并无定位方法上的突破。2006年之后，研究者主要关注如何充分利用信标的移动性，提出新的定位方法获得低成本测距下的较优定位精度。文献[1]研究了一种基于RSSI强度的测向定位方法，设计移动信标沿三角形路径运动，以每一边的最强RSSI测量点作为待定位节点在该边的投影点，取两边投影点垂线交点作为定位结果；文献[2]给出的方法无需测距，该方法中移动信标周期广播信标消息，记录待定位节点的第一次响应时间和最后一次响应时间，以此构成等腰三角形，并以通信范围作为三角形边长，计算待定位节点坐标。以上两种方法虽然都给出了新颖的定位思路，但是文献[1]的定位性能受RSSI测量值影响，RSSI的波动容易导致投影点错误，产生较大的定位误差；文献[2]的方法需要待定位节点周期性频繁响应信标信息，不利于WSN节点的节能。

定位技术是WSN网络中的关键支撑技术之一，在使用移动信标的WSN网络中，现有技术因为采用一个移动信标定位，导致定位过程中需要和待定位节点进行多次通信，产生较大能耗，时间开销大。

对比文件

[1]GuoZhongwen,GuoYing,HongFeng,YangXiaohui,HeYuan,FengYuan,LiuYunhao.PerpendicularIntersection:LocatingWirelessSensorswith移动信标[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2010,Page(s):3501–3509.

[2]S.A.Munir,YuWenBin,MaJian.EfficientMinimumCostAreaLocalizationforWirelessSensorNetworkwithaMobileSink[C].21stInternationalConferenceonAdvancedInformationNetworkingandApplications,2007,Page(s):533–538.

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双移动信标的WSN定位方法，降低定位过程中的通信次数，节约定位能耗，降低定位时间开销。

为了解决以上问题，本发明具体采用的技术方案如下：

一种基于双移动信标的WSN定位方法，其特征在于：采用两个移动信标协同完成定位工作，具体包括以下步骤：

步骤1，两个固定间隔为d(m)且配置有GPS的移动信标以相同速度v(m/s)同时在传感器布设区域内移动，两个所述移动信标均周期性广播信标消息，广播时间周期为T_f(s)；广播的信标消息中包括当前消息发送时间、广播时间间隔和信标当前的坐标，两个移动信标彼此之间保持时间同步，每发送一个信标消息，就记录发送该消息时自身的坐标位置，以备定位待定位节点时使用；移动信标1记为M₁，其通信距离为R₁(m)；移动信标2记为M₂，其通信距离与待定位传感器节点通信距离相同，记为R₂(m)，且R₁(m)〉R₂(m)；

步骤2，随着两个移动信标的接近，待定位节点P将先后收到这两个移动信标的信标消息，T_i为P收到M₁首次信标消息中包含的消息发送时刻，T_i时刻M₁位于M_1,i位置，坐标为(x₁,y₁)；T_j为P收到M₂首次信标消息包含的消息发送时刻，T_j时刻M₂位于M_2,j位置，坐标为(x₂,y₂)；对来自第一个移动信标M₁的信标消息，待定位节点P仅做记录；对于来自第二个移动信标M₂的信标消息，待定位节点P回送ACK数据包给M₂，所述ACK数据包中包括T_i、T_j时间信息、T_i时刻的M₁坐标(x₁,y₁)、T_j时刻的M₂坐标(x₂,y₂)，以及待定位节点P的邻居节点列表；当待定位节点P首次收到来自M₁的信标消息时，此时M₁与节点P距离R₁(m)；当待定位节点P首次收到来自M₂的信标消息时，此时M₂与节点P距离R₂(m)；

步骤3，M₂根据接收到的ACK数据包中的邻居节点列表信息，判断待定位节点P位于M₂运动轨迹的上侧或下侧，利用已知三边长为R₁、R₂、(T_j-T_i)×v的ΔPM_1,iM_2,j，确定待定位节点P的坐标。

定位节点P的坐标的计算方法如下：

使用公式计算ΔPM_1,iM_2,j中边R₁和边(T_j-T_i)×v之间的夹角θ；

若两个移动信标按水平方向运动，则按公式 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{R_1^2-R_2^2}{2(x_2-x_1)}+\frac{x_2+x_1}{2}\\ y=\frac{y_1+y_2}{2}\±R_1\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$ 计算待定位节点P的坐标；若两个移动信标按垂直方向运动，则按公式 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{x_1+x_2}{2}\±R_1\sin \mathrm{\θ}\\ y=\frac{R_1^2-R_2^2}{2(y_2-y_1)}+\frac{y_2+y_1}{2}\end{array}\right.$ 计算待定位节点P的坐标。

本发明具有有益效果。本发明针对WSN网络移动信标定位技术，提出一种基于双移动信标的WSN定位方法，通过两个具有不同通信范围的移动信标，与待定位节点一次信息交互即可实现定位，从而使待定位节点无需频繁响应信标信息，更有利于WSN节点的能耗控制并减少时间开销。同时，由于本发明不涉及RSSI或者TOA之类测距方法，不受信道噪声的影响，所以不存在受RSSI测量值变化所引起的定位误差。

附图说明

图1为参考定位场景图；

图2为待定位节点坐标计算模型。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体技术方案做进一步详细说明。

设参考定位场景如图1所示，场景为边长100(m)的正方形区域，M₁的通信范围R₁＝100(m)，M₂的通信范围R₂＝50(m)，两个移动信标相距d＝50(m)，以v＝2m/s速度沿该正方形区域水平中线匀速从远处向该区域运动，两个移动信标的广播周期为T_f(s)＝2s。

本发明在以上实施条件下步骤为：

步骤1.两个移动信标均以T_f(s)＝2s的周期广播信标消息，广播的信标消息中包括当前消息发送时间、广播时间间隔、信标当前的坐标，示例模型如图2所示；

步骤2.随着两个移动信标的接近，待定位节点P在T_i＝13:00:00首次接收到第一个移动信标M₁的信标消息，待定位节点P记录此时信标M₁的坐标(x₁,y₁)＝(1,2)，此时P与M₁相距R₁＝100(m)；在T_j＝13:00:30时待定位节点P收到来自第二个移动信标M₂的信标消息，此时M₂的坐标为(x₂,y₂)＝(1,62)，此时P与M₂相距R₂＝50(m)；

步骤3.待定位节点P回送“ACK”数据包给M₂，该“ACK”数据包中包括T_i、T_j时间信息、T_i时刻的M₁坐标(1,2)、T_j时刻的M₂坐标(1,62)以及待定位节点P的邻居节点列表；

步骤4.M₂根据接收到的“ACK”数据包中的邻居节点列表信息，断定待定位节点P位于M₂运动轨迹的上侧，此时利用已知三边长为R₁、R₂、(T_j-T_i)×v的ΔPM_1,iM_2,j，代入各参数值，可得

步骤5.因为两个移动信标按水平方向运动，故将参数代入公式 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{R_1^2-R_2^2}{2(x_2-x_1)}+\frac{x_2+x_1}{2}\\ y=\frac{y_1+y_2}{2}+R_1\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.,$ 可得P点坐标为(94.5,39.0)。

Claims (1)

1.一种基于双移动信标的WSN定位方法，其特征在于：采用两个移动信标协同完成定位工作，具体包括以下步骤：

步骤1，两个固定间隔为d(m)且配置有GPS的移动信标以相同速度v(m/s)同时在传感器布设区域内移动，两个所述移动信标均周期性广播信标消息，广播时间周期为T_f(s)；广播的信标消息中包括当前消息发送时间、广播时间间隔和信标当前的坐标，两个移动信标彼此之间保持时间同步，每发送一个信标消息，就记录发送该消息时自身的坐标位置，以备定位待定位节点时使用；移动信标1记为M₁，其通信距离为R₁(m)；移动信标2记为M₂，其通信距离与待定位传感器节点通信距离相同，记为R₂(m)，且R₁(m)〉R₂(m)；

步骤2，随着两个移动信标的接近，待定位节点P将先后收到这两个移动信标的信标消息，T_i为P收到M₁首次信标消息中包含的消息发送时刻，T_i时刻M₁位于M_1,i位置，坐标为(x₁,y₁)；T_j为P收到M₂首次信标消息包含的消息发送时刻，T_j时刻M₂位于M_2,j位置，坐标为(x₂,y₂)；对来自第一个移动信标M₁的信标消息，待定位节点P仅做记录；对于来自第二个移动信标M₂的信标消息，待定位节点P回送ACK数据包给M₂，所述ACK数据包中包括T_i、T_j时间信息、T_i时刻的M₁坐标(x₁,y₁)、T_j时刻的M₂坐标(x₂,y₂)，以及待定位节点P的邻居节点列表；当待定位节点P首次收到来自M₁的信标消息时，此时M₁与节点P距离R₁(m)；当待定位节点P首次收到来自M₂的信标消息时，此时M₂与节点P距离R₂(m)；

步骤3，M₂根据接收到的ACK数据包中的邻居节点列表信息，判断待定位节点P位于M₂运动轨迹的上侧或下侧，利用已知三边长为R₁、R₂、(T_j-T_i)×v的ΔPM_1,iM_2,j，确定待定位节点P的坐标；

待定位节点P的坐标的计算方法如下：

步骤1，使用公式计算ΔPM_1,iM_2,j中边R₁和边(T_j-T_i)×v之间的夹角θ；

步骤2，若两个移动信标按水平方向运动，则按公式 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{R_1^2-R_2^2}{2(x_2-x_1)}+\frac{x_2+x_1}{2}\\ y=\frac{y_1+y_2}{2}\±R_1\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$ 计算待定位节点P的坐标；若两个移动信标按垂直方向运动，则按公式 $\left\{\begin{array}{c}x=\frac{x_1+x_2}{2}\±R_1\sin \mathrm{\θ}\\ y=\frac{R_1^2-R_2^2}{2(y_2-y_1)}+\frac{y_2+y_1}{2}\end{array}\right.$ 计算待定位节点P的坐标。