CN103415069A - 一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，首先形成PAD ID楼层信息映射表并保存在蜂窝网后台服务器处，移动终端进入到无线传感器网络后首先向周边的传感器节点广播定位请求，并直接采用64位的地址与传感器网络中的节点通信；当节点接收到该定位请求以后，将自己的位置信息和PAN ID信息等发送给该移动终端。移动终端接收到多个信标节点回复后，从Respond信息中提取出PAN ID、信标节点的坐标信息以及接信号强度RSSI，并整合成一份定位信息发送给蜂窝网后台服务器并发出命令开启定位算法，蜂窝网后台服务器通过定位算法最终确定移动终端的楼层、房间信息和坐标。本发明明显减少无线传感网络的能量消耗以及网络负担。

Description

一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法

技术领域

本发明属移动无线通信技术领域，特别是涉及一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法。

背景技术

无线传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以将大量简单的节点随机部署在某个地区，节点之间通过自组织地组网，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种复杂环境或监测对象的信息，并对这些信息进行网内处理，从而获得详尽而准确的信息并传送给后台骨干网服务器或者相关观测者。

无线传感器网络以提供客观世界的时空信息为目的。对许多无线传感网络的应用而言传感器节点的位置信息非常的重要，比如目标跟踪、环境监测等，除此之外，定位信息对于许多传感网络的通信协议而言也是非常重要的，比如包路由选择和感知覆盖等。因而传感器节点定位技术成为无线传感器网络多数应用中的关键支撑技术之一。无线传感器网络的能量有限，在无线先传感器网络的应用场景中，一个传感器节点自身定位以后如果将自己的位置信息通过传感器网络多跳的方式告诉后方的服务台，这样会消耗整个网络的能量。

无线传感器网络的定位算法可以分为两种一种集中式定位算法和分布式定位算法。集中式计算是指把所需信息通过多跳的方式传送到某个中心节点，(例如,一台服务器),并在那里进行节点定位计算的方式。集中式计算的优点在于从全局角度统筹规划,计算量和存储量几乎没有限制,可以获得相对精确的位置估算.它的缺点包括与中心节点位置较近的节点会因为通信开销大而过早地消耗完电能,导致整个网络与中心节点信息交流的中断,无法实时定位等。集中式定位算法的示意图如图1所示。

分布式计算是指依赖节点间的信息交换和协调,由节点自行计算的定位方式。分布式定位算法无法实现全局角度统筹规划，而且计算能力比较有限。分布式定位算法的示意图如图2所示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，在蜂窝网与传感网络融合的架构下，移动终端将接收到的定位信息通过基站传给蜂窝网后台服务器，蜂窝网后台服务器收到终端的定位信息后综合PAN ID楼层信息映射表和基于RSSI的定位算法计算出未知节点的位置，这样就将分布式定位和集中式定位有机的结合在一起，克服了分布式定位和集中式定位中存在的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，包括下列步骤：

（1）在整个楼宇中覆盖无线传感器网络，每一楼层的无线传感器网络都由若干个PAN协调器和一个First PAN Coordinator即核心PAN协调器构成，整个楼层由若干个PAN网络组成，每一个房间是一个子PAN；

（2）将WSN的PAN ID进行格式化处理，使得PAN ID映射出这个PAN协调器所在楼层和房间号，并将一张整楼的PAD ID楼层信息的映射表存放在蜂窝网后台服务器中，作为蜂窝网后台服务器定位移动终端的数据库使用；

（3）当移动终端进入到无线传感器网络后自动开启定位系统，首先移动终端向周边的传感器节点广播定位请求，在这里移动终端并不入网而是采用64位的地址与传感器网络中的节点进行广播；

（4）当无线传感器网络中的节点接收到移动终端的定位请求以后，将自己的位置信息有目的广播给移动终端；

（5）移动终端接收到信标节点回复后，从Respond信息中提取出信息中的PAN ID、信标节点的坐标信息(x_i,y_i)以及接信号强度RSSI，并将这些信息整合后发送到蜂窝网后台服务器，紧接着发送一个定位请求命令帧来让蜂窝网后台服务器开启定位算法；

（6）蜂窝网后台服务器收到移动终端的定位信息和定位请求命令后利用基于RSSI的定位算法和保存在蜂窝网后台服务器处的PAN ID楼层信息映射表来最终确定移动终端的楼层、房间信息和坐标(x_i,y_i)。

所述步骤（1）中的PAN的协调器位于楼道口。

所述步骤（2）中的PAN ID与楼层信息建立映射关系的具体规则为：设置PAN ID前8位为楼层信息，后8位为房间信息，形成一张保存在蜂窝网后台服务器中的一张PAN ID楼层信息映射表。

所述步骤（2）中的WSN在组网过程中通过PAN ID楼层信息映射表来建立无线传感网所有PAN ID和楼层及房间信息的映射关系。

所述PAN ID楼层信息映射表保存在蜂窝网后台服务器中，蜂窝网后台服务器在收到了移动终端的定位请求命令后通过查看其所携带的PAN ID在楼层信息映射表就可以确定移动终端所在楼层及房间；也可以在返回给移动终端的定位信息中包含该映射表，让移动终端实现下阶段的自动定位。

所述移动终端具有蜂窝通信和无线传感器网络的双模工作模式。

所述步骤（3）中的移动终端进入到无线传感网络以后不入网而是直接利用64位的长地址作为源地址向外广播定位请求信息request，无线传感器网络中的节点接到Request以后有目的地广播Respond，移动终端收到Respond后从中提取出信息中的PAN ID、信标节点的坐标信息(x_i,y_i)以及接信号强度，并将这些信息整合成移动终端的定位信息之后发送个蜂窝网后台服务器。

所述步骤（6）中蜂窝网后台服务器接收到移动终端发送的三个或三个以上不同信标节点的信息后就开始计算移动终端的定位，其定位算法为：

1）判断三个RSSI值的大小确定移动节点所在楼层和房间：

如果(x1.RSSI₁>x2.RSSI₂ & &x1.RSSI₁>x3.RSSI₃)移动终端离协调器1最近，则将PANID1按照下一步转换为楼层信息和房间信息；

2）确定移动终端的坐标信息：

根据移动终端实际测得的信号强度，利用公式（1）实时计算出移动终端与三个信标节点距离，

$P\left(d\right)\left[\mathrm{dBm}\right]=P\left(d_0\right)\left[\mathrm{dBm}\right]-10n\log \left(\frac{d}{d_0}\right)-\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

其中P(d)表示移动终端接收到信标节点的信号强度；P(d₀)表示参考点d₀处收到的信号好强度；n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子，d表示需要计算的移动终端和信标节点之间的距离；ξ表示环境因子，是个随机数；

设信标节点的坐标为(x_i,y_i)，通过公式（1）计算出信标i离移动终端的距离为d_i；利用公式（2）求出移动终端的位置；

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{\left(y{-y}_2\right)}^2}=d_2\\ \sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=d_3\end{array}\right.---\left(2\right).$

有益效果

本发明综合考虑了传统意义上的分布式定位算法和集中式定位算法的优点，将无线传感器网络和蜂窝网结合起来，移动终端将接收到的定位信息通过基站传给蜂窝网后台服务器，蜂窝网后台服务器收到终端的定位信息后综合PAN ID楼层信息映射表和基于RSSI的定位算法计算出未知节点的位置，从而明显减少无线传感网络的能量消耗以及网络负担。

附图说明

图1现有技术中集中式定位方法示意图。

图2现有技术中分布式定位素方法的示意图。

图3为本发明基本场景示意图。

图4为本发明蜂窝网和传感网融合的定位方法示意图。

图5为本发明无线传感器网络的分布场景示意图。

图6为本发明整楼场景示意图。

图7为本发明的定位流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图3-7所示，本发明提供一种基于传感网络和蜂窝网融合的移动终端定位方法，首先提出了一个重要参数——PAD ID楼层信息映射表，它是在WSN组网过程中形成的并保存在蜂窝网后台服务器处的一张表格。移动终端进入到无线传感器网络后首先向周边的传感器节点广播定位请求，移动终端在不入网的情况下直接采用64位的地址与传感器网络中的节点通信。当无线传感器网络中的节点接收到该定位请求以后，将自己的位置信息和PANID信息等发送给该移动终端。移动终端接收到多个信标节点回复后，从Respond信息中提取出PAN ID、信标节点的坐标信息(x_i,y_i)以及接信号强度RSSI，并整合成一份定位信息发送给蜂窝网后台服务器，紧接着发送一个定位请求命令帧来让蜂窝网后台服务器开启定位算法，蜂窝网后台服务器收到移动终端的定位信息和定位请求命令后就利用基于RSSI的定位算法和保存在蜂窝网后台服务器处的PAN ID楼层信息映射表来最终确定移动终端的楼层、房间信息和坐标(x,y,n)，其中n带表移动节点所处楼层信息。

1.无线传感器网络的布局

本发明在楼宇的每一层都铺设一个PAN网络，该PAN的协调器位于楼道口。无线传感器网络的分布场景如图5所示：

2.PAN ID楼层映射表格

IEEE 802.15.4规定MAC帧的帧头中有两个字节用来存放设备的PAN标识符，也就是PAN ID。为了让移动终端进入到楼宇以后，通过接收到的PAN ID信息能够知道所对应楼层和房间号，本发明在组网过程中按照一定规律来分配PAN ID，使得PAN ID能够映射到楼层和房间号信息。

WSN中PAN ID楼层信息映射表

表1：一幢20层大楼的PAN ID楼层信息映射表

PAN ID与楼层信息建立映射关系的具体规则为设置PAN ID前8位为楼层信息，后8位为房间信息，这样就形成了一张保存在蜂窝网后台服务器中的一张PAN ID楼层信息映射表，该表格有以下两个作用：

（1）WSN组网过程中通过此表来建立无线传感网所有PAN ID和楼层及房间信息的映射关系。

（2）由于此映射表保存在蜂窝网后台服务器中，服务器在收到了移动终端的定位请求命令后通过查看其所携带的PAN ID在楼层信息映射表就可以确定移动终端所在楼层及房间；也可以在返回给移动终端的定位信息中包含该映射表，让移动终端实现下阶段的自动定位。

2.利用蜂窝网将定位信息发送给控制中心

本发明中所使用的移动终端具有蜂窝通信和无线传感器网络的双模工作模式。移动终端进入到无线传感网络以后不入而是直接利用64位的长地址作为源地址向外广播定位请求信息request。无线传感器网络中的节点接到Request以后有目的的广播Respond.移动终端收到Respond后并从中提取出信息中的PAN ID、信标节点的坐标信息(x_i,y_i)以及接信号强度，并将这些信息整合成移动终端的定位信息之后发送个蜂窝网后台服务器。这样可以减少传感器网络中节点的能量消耗和网络负担。

本发明中Request帧和respond帧结构如下所示：

表二MAC层帧结构

表三MAC帧的帧控制信息

Frame Type：帧类型（0b000=信标帧、0b001=数据帧0b010=MAC命令帧）

Ack Request：应答标志（1=该帧需要应答，0=表示该帧不需要应答）

Dest Addressing Mode：目的地址模式（0b00=不存在PAN标识和地址域，0b10=表示后面的地址域为16为段地址，0b11=表示地址域为64位扩展地址）

Source Addressing Mode：源地址模式，它的定义跟目的地址模式一样。

根据上面的表格和分析，移动传感其节点在广播Request时帧控制信息中的FrameType设为“0b011”表示命令请求帧。将应答标识位设为1，源地址模式设置为“0b011”表示源地址用64位地址。

3.计算移动终端的位置

当控制中心接收到移动终端发送的三个或三个以上不同信标节点的信息后就开始计算移动终端的定位。控制中心将每一个信标帧的对应信息放在一块，用下段程序表示信息存放的格式。

控制中心收到三个不同信标节点的相关信息以后就进入以下的计算过程。

1）判断三个RSSI值的大小确定移动节点所在楼层和房间

如果(x1.RSSI₁>x2.RSSI₂ & &x1.RSSI₁>x3.RSSI₃)移动终端离协调器1最近，然后将PAN ID₁按照第2步转换为楼层信息和房间信息。

2)确定移动终端的坐标信息

根据移动终端实际测得的信号强度，利用公式（1）实时计算出移动终端与三个信标节点距离。

$P\left(d\right)\left[\mathrm{dBm}\right]=P\left(d_0\right)\left[\mathrm{dBm}\right]-10n\log \left(\frac{d}{d_0}\right)-\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

其中P(d)表示移动终端接收到信标节点的信号强度；P(d₀)表示参考点d₀处收到的信号好强度；n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子，d表示需要计算的移动终端和信标节点之间的距离；ξ表示环境因子，是个随机数。

设信标节点的坐标为(x_i,y_i)，通过公式（1）计算出信标i离移动终端的距离为d_i。利用公式（2）求出移动终端的位置。

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{\left(y{-y}_2\right)}^2}=d_2\\ \sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=d_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

4.控制中心计算完移动终端的位置以后再利用蜂窝网将信息发给移动终端。这样不仅可以让控制中心知道移动终端的位置，而且移动终端的携带者就可以知道自己的具体位置。

本发明涉及到无线传感器网络的定位技术，所以该发明的应用非常的广泛。该发明可应用于环境监测，消防员在楼宇中的跟踪定位等领域。

本发明考虑的使用场景主要在高楼大厦，整个大厦覆盖了无线传感器网络。网络的分布情况如图6所示，人们携带着具有双功能通信模式的移动终端如手机、iPad等进入到楼层以后，如果需要定位的话就开启移动终端的定位模式，蜂窝网后台服务器最终实现移动终端定位的详细过程如下：

1)整幢大厦的WSN网络节点铺设完毕后，进入组网阶段，这个阶段要完成PAN ID楼层信息映射表的获取任务。某节点当选First PAN Coordinator之后便根据本发明所提出的PAN ID命名算法设置自己的PAN ID，之后的PAN在形成时也同样按照该命名算法设置自己的PAN ID，最终实现真个网络的组网过程。

2)每层的First PAN Coordinator将本层所有的PAN的PAN ID楼层信息映射表搜集起来发送给蜂窝网BS，最终在BS处形成了一张描述本幢大楼信息的PAN ID楼层信息映射表，同时每个PAN协调器也保存了自己所包含的多个信标节点的坐标位置。

3)移动终端进入到大楼之后首先以64位扩展地址为源地址广播本发明所描述的定位请求命令帧给周围的WSN网络，周围的PAN协调器收到该请求命令帧后返回一个包含本PAN所有信标节点地址的MAC数据帧给移动终端并将该终端的地址发送给本PAN所有信标节点，信标节点便以该地址为目的地址向移动终端发送自己的位置信息。

4)移动终端在收到多个PAN协调器数据帧和多个信标节点的位置信息后，提取其RSSI信号强度，并选取其中RSSI信号最强的一个PAN ID和3个信标节点的位置融合成定位信息，然后将该定位信息直接发送个蜂窝网BS，定位信息发送完毕之后紧跟着发送一个开启定位的请求命令给蜂窝网BS。

蜂窝网后台服务器在收到移动终端的定位信息和定位请求命令后开始对移动终端定位，运用本发明所提出的定位算法：通过检查保存在BS处的PAN ID楼层信息映射表和信标节点列表，首先确定移动终端的楼层信息，然后根据RSSI三点定位算法计算出移动终端的位置信息，最终完成对移动终端的立体定位。

Claims (8)

1.一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，包括下列步骤：

（1）在整个楼宇中覆盖无线传感器网络，每一楼层的无线传感器网络都由若干个PAN协调器和一个核心PAN协调器组成，整个楼层由若干个PAN网络组成，每一个房间是一个子PAN；

（2）将WSN的PAN ID进行格式化处理，使得PAN ID映射出这个PAN协调器所在楼层和房间号，并将一张整楼的PAD ID楼层信息的映射表存放在蜂窝网后台服务器中，作为蜂窝网后台服务器定位移动终端的数据库使用；

（3）当移动终端进入到无线传感器网络后自动开启定位系统，首先移动终端向周边的传感器节点广播定位请求，在这里移动终端并不入网而是采用64位的地址与传感器网络中的节点进行广播；

（4）当无线传感器网络中的节点接收到移动终端的定位请求以后，将自己的位置信息有目的广播给移动终端；

（5）移动终端接收到信标节点回复后，从Respond信息中提取出信息中的PAN ID、信标节点的坐标信息(x_i,y_i)以及接信号强度RSSI，并将这些信息整合后发送到蜂窝网后台服务器，紧接着发送一个定位请求命令帧来让蜂窝网后台服务器开启定位算法；

（6）蜂窝网后台服务器收到移动终端的定位信息和定位请求命令后利用基于RSSI的定位算法和保存在蜂窝网后台服务器处的PAN ID楼层信息映射表来最终确定移动终端的楼层、房间信息和坐标(x_i,y_i)。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述步骤（1）中的PAN的协调器位于楼道口。

3.根据权利要求1所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述步骤（2）中的PAN ID与楼层信息建立映射关系的具体规则为：设置PAN ID前8位为楼层信息，后8位为房间信息，形成一张保存在蜂窝网后台服务器中的一张PAN ID楼层信息映射表。

4.根据权利要求1所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述步骤（2）中的WSN在组网过程中通过PAN ID楼层信息映射表来建立无线传感网所有PAN ID和楼层及房间信息的映射关系。

5.根据权利要求3所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述PAN ID楼层信息映射表保存在蜂窝网后台服务器中，蜂窝网后台服务器在收到了移动终端的定位请求命令后通过查看其所携带的PAN ID在楼层信息映射表就可以确定移动终端所在楼层及房间；也可以在返回给移动终端的定位信息中包含该映射表，让移动终端实现下阶段的自动定位。

6.根据权利要求1所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述移动终端具有蜂窝通信和无线传感器网络的双模工作模式。

7.根据权利要求1所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述步骤（3）中的移动终端进入到无线传感网络以后不入网而是直接利用64位的长地址作为源地址向外广播定位请求信息request，无线传感器网络中的节点接到Request以后有目的地广播Respond，移动终端收到Respond后从中提取出信息中的PAN ID、信标节点的坐标信息(x_i,y_i)以及接信号强度，并将这些信息整合成移动终端的定位信息之后发送个蜂窝网后台服务器。

8.根据权利要求1所述的一种基于传感网和蜂窝网融合的移动节点定位算法，其特征在于：所述步骤（6）中蜂窝网后台服务器接收到移动终端发送的三个或三个以上不同信标节点的信息后就开始计算移动终端的定位，其定位算法为：

1）判断三个RSSI值的大小确定移动节点所在楼层和房间：

如果(x1.RSSI₁>x2.RSSI₂ & &x1.RSSI₁>x3.RSSI₃)移动终端离协调器1最近，则将PANID₁按照下一步转换为楼层信息和房间信息；

2)确定移动终端的坐标信息：

根据移动终端实际测得的信号强度，利用公式（1）实时计算出移动终端与三个信标节点距离，

$P\left(d\right)\left[\mathrm{dBm}\right]=P\left(d_0\right)\left[\mathrm{dBm}\right]-10n\log \left(\frac{d}{d_0}\right)-\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

其中P(d)表示移动终端接收到信标节点的信号强度；P(d₀)表示参考点d₀处收到的信号好强度；n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子，d表示需要计算的移动终端和信标节点之间的距离；ξ表示环境因子，是个随机数；

设信标节点的坐标为(x_i,y_i)，通过公式（1）计算出信标i离移动终端的距离为d_i；利用公式（2）求出移动终端的位置；

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=d_1\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{\left(y{-y}_2\right)}^2}=d_2\\ \sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=d_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

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