CN103869280A - 一种联合局部拓扑与信标方位信息的高效定位方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合局部拓扑与信标方位信息的高效定位方法，包括节点根据网络局部拓扑和信标节点所能带来的各种信息完成对自身的定位。其具体实现主要包括以下步骤：未知节点通过相互发送广播包掌握局部（两跳）拓扑信息，信标节点向各个方向以不同的功率水平周期性地发送包括自己的位置信息、标识信息、发射功率水平、智能天线瞬时波束指向在内的广播信息，在定位处理中通过考查网络局部拓扑来发现定位错误，保证了定位结果的正确性与可靠性，特别地算法实现简单，且不需要未知节点向信标节点反馈信息，适合感知网络实际，同时算法对实际感知检测应用中信标节点数量少、分布不均匀等情况的适应能力强，鲁棒性好。

Description

一种联合局部拓扑与信标方位信息的高效定位方法与装置

技术领域

本发明涉及一种能充分利用网络拓扑与信标方位信息的简单快捷节点定位方法。

背景技术

现有的节点定位处理方法征如下：1）未能有效利用网络拓扑所能提供的有用信息，具体定位处理即使涉及到网络拓扑其相应的处理也非常复杂，对未知节点的性能要求高；2）需要信标节点与未知节点之间进行信息交互来确定方位，计算处理复杂，对未知节点性能与技术水平要求高；3）利用环形区域来确定定位重叠区域而不是扇环形区域，定位精度低，存在不能可靠确定有效重叠区域的现象；4）需要或部分需要未知节点依据接收信号能量强度确定距离等定位参数，可靠性差，准确度低；5）对信标节点的数量（分布密度）、分布均匀性等要求高，对实际感知检测环境应用适应性差。

现有技术存在缺陷需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的联合局部拓扑与信标方位信息的高效定位方法与装置。

本发明要解决的技术问题是提供一种可操作性强、快捷、高效、高精度的节点定位方法。

本发明所提方法的具体实现步骤如下：

1）节点初始化；

2）未知节点通过循环使用不同的功率相互发送广播信息掌握局部（两跳）拓扑信息；

3）信标节点（通过旋转天线）向各个方向以不同的功率水平周期性地发送包括自己的位置信息、标识信息、发射功率水平、智能天线瞬时波束指向在内的广播信息；

4）未知节点侦听信标节点的周期性广播并存储相关信息；

5）各未知节点对于每一个自己可收到广播信息的信标节点——以对应“信标节点”为圆心，以对应的可检测功率所对应的通信距离和低一能量级的发射功率的通信距离为外、内半径，依据既定的波束宽度确定各个信标节点对于本节点的有效扇环形区域；

6）未知节点对于自己所能侦听到的信标节点数K评判，if K≤1转“步骤9）”

7）确定扇环形区域的重叠区域；

8）确定重叠区域的质心，重叠区域的质心所在即为未知节点的定位估计；

9）以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息（含自身的位置信息与传输功率水平、自己所收到信标节点的信息、邻居节点的信息）同时接收邻居节点发送的信息而后转入最后一步（K≥2的完成定位，K≤1的节点只接收信息）；

10）确定已完成定位邻居节点的有效功率圆环；

11）确定圆环（及信标节点所对应扇环形区域，for K=1）的重叠区域，检查重叠区域的重叠层数G（G=“已完成定位邻居节点数”+ K）取值，if G≤1转“步骤14）”；

12）求取重叠区域的质心，质心所在为节点定位估计；

13）以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息（含自身的位置信息与传输功率水平、自己所可能收到信标节点的信息、邻居节点的信息）；

14）接收邻居节点发送的信息（G≤1的节点转“步骤10）”）；

15）形成“（两跳）局部拓扑估计”；

16）对比“局部拓扑估计”与“第二步所得局部拓扑”，基本一致进入下一步，否则转“步骤18）”

17）广播定位及拓扑比较结果，之后转入最后一步；

18）接收邻居广播信息；

19）确定已达成拓扑一致（即已完成定位）的邻居节点的有效功率圆环，以有关圆环（及信标节点所对应扇环形区域for K=1）的重叠区域的质心作为定位估计，而后转“步骤15）”

20）定位完成。

采用上述方案，保证了定位结果的正确性与可靠性，特别地算法实现简单，且不需要未知节点向信标节点反馈信息，适合感知网络实际，同时算法对实际感知检测应用中信标节点数量少、分布不均匀等情况的适应能力强，鲁棒性好。具有很高的市场应用价值。

附图说明

图1为本发明的原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供一种节点高效定位方法，节点根据网络局部拓扑和信标节点所能带来的各种信息完成对自身的定位。

其具体实现主要包括以下步骤：未知节点通过相互发送广播包掌握局部（两跳）拓扑信息，信标节点向各个方向以不同的功率水平周期性地发送包括自己的位置信息、标识信息、发射功率水平、智能天线瞬时波束指向在内的广播信息，未知节点侦听并存储信标节点的广播信息，未知节点依据既定的波束宽度确定信标节点对于本节点的有效扇环形区域及其重叠区域，该区域的质心所在即是节点的位置估计，完成位置估计（可收到2个以上信标节点广播信息）的节点以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息，未成功实现对自身定位的节点接收（完成位置估计）邻居节点的广播信息并确定对应的有效功率圆环及对应的定位重叠区域，以重叠区域的质心作为定位估计同时向外广播自己的位置等相关信息和形成局部拓扑估计，将本地“局部拓扑估计”与“第二步所得局部拓扑”对比，二者一致则显示节点定位估计准确，不一致则继续执行定位搜索处理。所提方法的优点：通过在信标节点广播信息中直接附加智能天线瞬时波束指向信息的方式为未知节点提供更精确的位置指示信息，未知节点依据方位信息确定有效扇环形区域大大缩小了定位误差，在定位处理中通过考查网络局部拓扑来发现定位错误，保证了定位结果的正确性与可靠性，特别地算法实现简单，且不需要未知节点向信标节点反馈信息，适合感知网络实际，同时算法对实际感知检测应用中信标节点数量少、分布不均匀等情况的适应能力强，鲁棒性好。

一种可操作性强、快捷、高效、高精度的节点定位方法。

本发明所提方法的具体实现步骤如下：

1）节点初始化；

2）未知节点通过循环使用不同的功率相互发送广播信息掌握局部（两跳）拓扑信息；

3）信标节点（通过旋转天线）向各个方向以不同的功率水平周期性地发送包括自己的位置信息、标识信息、发射功率水平、智能天线瞬时波束指向在内的广播信息；

4）未知节点侦听信标节点的周期性广播并存储相关信息；

5）各未知节点对于每一个自己可收到广播信息的信标节点——以对应“信标节点”为圆心，以对应的可检测功率所对应的通信距离和低一能量级的发射功率的通信距离为外、内半径，依据既定的波束宽度确定各个信标节点对于本节点的有效扇环形区域；

6）未知节点对于自己所能侦听到的信标节点数K评判，if K≤1转“步骤9）”

7）确定扇环形区域的重叠区域；

8）确定重叠区域的质心，重叠区域的质心所在即为未知节点的定位估计；

9）以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息（含自身的位置信息与传输功率水平、自己所收到信标节点的信息、邻居节点的信息）同时接收邻居节点发送的信息而后转入最后一步（K≥2的完成定位，K≤1的节点只接收信息）；

10）确定已完成定位邻居节点的有效功率圆环；

11）确定圆环（及信标节点所对应扇环形区域，for K=1）的重叠区域，检查重叠区域的重叠层数G（G=“已完成定位邻居节点数”+ K）取值，if G≤1转“步骤14）”；

12）求取重叠区域的质心，质心所在为节点定位估计；

13）以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息（含自身的位置信息与传输功率水平、自己所可能收到信标节点的信息、邻居节点的信息）；

14）接收邻居节点发送的信息（G≤1的节点转“步骤10）”）；

15）形成“（两跳）局部拓扑估计”；

16）对比“局部拓扑估计”与“第二步所得局部拓扑”，基本一致进入下一步，否则转“步骤18）”

17）广播定位及拓扑比较结果，之后转入最后一步；

18）接收邻居广播信息；

19）确定已达成拓扑一致（即已完成定位）的邻居节点的有效功率圆环，以有关圆环（及信标节点所对应扇环形区域for K=1）的重叠区域的质心作为定位估计，而后转“步骤15）”

20）定位完成。

一种联合局部拓扑与信标方位信息的高效定位方法，具体方法如下：

1）           信标节点配备可自由旋转的智能天线，易于实现；

2）           信标节点直接在广播信息包中附加智能天线波束指向提供方位信息，信息获取直接准确，不需要未知节点做任何处理，不需要未知节点与信标节点之间进行信息交互，算法实现及协议处理简单；

3）           未知节点使用普通的全向天线，无需高技术天线的支撑；

4）           未知节点采用多功率水平传递信息，搜集的拓扑信息更为准确，且所需的信号发送单元/器件有许多成品可供选择；

5）           对未知节点的计算处理能力要求低，适应廉价、低功耗要求；

6）           信标节点采用多功率智能发射技术，既拥有多能量级水平划分的优势，又有效地避免了质心算法所存在的定位模糊性、定位不完全性等问题的出现；

7）           在确定有效定位范围时使用扇环形区域而不是环形区域大大缩小了有效节点定位重叠区域，定位精度高；

8）           定位处理能充分考虑和利用网络局部拓扑所能提供的有用信息，大幅度提升了定位结果的可信度；

9）           结合使用网络拓扑与方位信息，能够发现和矫正不当的定位，避免定位错误的发生，定位精度高；

10）      定位处理对对实际感知检测应用中信标节点数量少、分布不均匀等情况的适应能力强，鲁棒性好；

11）      所需处理对感知网络节点没有特别要求，对感知网络规模没有限制，有较大的发展应用空间。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种联合局部拓扑与信标方位信息的高效定位方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）节点初始化；

2）未知节点通过循环使用不同的功率相互发送广播信息掌握局部（两跳）拓扑信息；

3）信标节点（通过旋转天线）向各个方向以不同的功率水平周期性地发送包括自己的位置信息、标识信息、发射功率水平、智能天线瞬时波束指向在内的广播信息；

4）未知节点侦听信标节点的周期性广播并存储相关信息；

5）各未知节点对于每一个自己可收到广播信息的信标节点——以对应“信标节点”为圆心，以对应的可检测功率所对应的通信距离和低一能量级的发射功率的通信距离为外、内半径，依据既定的波束宽度确定各个信标节点对于本节点的有效扇环形区域；

6）未知节点对于自己所能侦听到的信标节点数K评判，if K≤1转“步骤9）”

7）确定扇环形区域的重叠区域；

8）确定重叠区域的质心，重叠区域的质心所在即为未知节点的定位估计；

9）以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息（含自身的位置信息与传输功率水平、自己所收到信标节点的信息、邻居节点的信息）同时接收邻居节点发送的信息而后转入最后一步（K≥2的完成定位，K≤1的节点只接收信息）；

10）确定已完成定位邻居节点的有效功率圆环；

11）确定圆环（及信标节点所对应扇环形区域，for K=1）的重叠区域，检查重叠区域的重叠层数G（G=“已完成定位邻居节点数”+ K）取值，if G≤1转“步骤14）”；

12）求取重叠区域的质心，质心所在为节点定位估计；

13）以不同的功率水平向邻居节点发送广播信息（含自身的位置信息与传输功率水平、自己所可能收到信标节点的信息、邻居节点的信息）；

14）接收邻居节点发送的信息（G≤1的节点转“步骤10）”）；

15）形成“（两跳）局部拓扑估计”；

16）对比“局部拓扑估计”与“第二步所得局部拓扑”，基本一致进入下一步，否则转“步骤18）”

17）广播定位及拓扑比较结果，之后转入最后一步；

18）接收邻居广播信息；

19）确定已达成拓扑一致（即已完成定位）的邻居节点的有效功率圆环，以有关圆环（及信标节点所对应扇环形区域for K=1）的重叠区域的质心作为定位估计，而后转“步骤15）”

20）定位完成。