CN105093176B - 一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法，利用锚节点相对于未知节点的虚拟通信圆和锚节点的必然通信圆分别与未知节点当前的可能位置区域之间的位置关系来不断缩小未知节点的可能位置区域，未知节点遍历所有锚点邻居后，计算出此时未知节点的可能位置区域的质心作为该未知节点的估计位置。本发明的有益效果有以下几点：不仅利用到未知节点的1跳锚点邻居，而且利用网络中所有多跳锚点邻居来进行未知节点的可能位置区域的消除，有效地提高了定位精度；提出的计算方法基于对凸多边形的运算，计算量小，可以有效减小节点及网络的能量消耗，延长网络的生命周期。

Description

一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法
技术领域
本发明涉及一种未知节点定位方法，特别是一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
根据定位过程中是否需要测距，目前常用的定位算法可以分为基于测距的定位算法和非测距的定位算法。由于非测距的定位算法不需要传感器节点配置额外的硬件，同时能量消耗低、便于部署、实现简单，因此能满足大多数传感器网络的需求。
目前研究主要就集中在非测距的定位算法方面，国内外的研究者也提出了许多非测距的无线传感器网络节点定位算法，下面例举几个算法并分别简要分析它们的优劣之处。
Nicolescu D提出的DV-Hop算法(Dragos Nioulescu and Badri Nath,“DV basedpositioning in ad hoc networks”,in Journal Telecommunication Systems,PP.267-280,2003.)是最早的非测距定位算法。该算法使用节点之间的跳数来衡量节点之间的距离，在网络分布均匀的情况下能够达到较好的效果。但是当网络中节点分布不均匀时，平均每跳距离的计算将会出现比较大的偏差，定位精度也会受到较大的影响。
在DV-Hop算法的基础上，Agpal R N提出了Amorphous算法(Nagpal R,Shrobe Hand Bachrach J,“Organizaing a global coordirate systerm from localinformation on an AD Hoc sensor network[C].in Proc.Int.Workshop oninfremation Processing in Sensor Networks,2003,LNCS2634,PP.333-348.2003.)。该算法使用节点的通信半径作为平均每跳距离，虽然网络通信开销降低并且计算简单，但是定位误差较大。
Simics N在同一时期提出了BoundingBox算法(Slobodan N Simic and ShankarSastry,“Distributed localization in wireless ad hoc networks”,in TechnicalReport,PP.1-13,2001.)。该算法将信标节点的通信区域设定为一个正方形，未知节点把其所有直接信标节点邻居的正方形通信区域的交集作为自己的可能位置区域，并取其中心作为自己的定位位置，该算法实现简单、计算简便。但是该算法假设网络中的各节点具有同样大小的正方形通信范围，同时对网络中信标节点的密度要求相对较高，所以在应用中不是特别广泛。
He T等人将三角形内点测试定理引入到无线传感器网络定位领域，提出了APIT算法(T.He,C.Huang,B.M.Blum,J.A.S tankovic,and T.Abdelzaher,“Range-freeLocalization Schemes in Large Scale Sensor Networks”,in Proceedings of the9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(MbiCom2003),PP.81-95,2003)。该算法采用近似三角形内点测试法来判断未知节点是否位于以任意三个信标节点为顶点所组成的三角形内，然后求出未知节点在其内的所有三角形的重叠区域作为该未知节点的可能位置区域，并以其重心作为该未知节点的定位位置。APIT算法实现简单，但是因为进行PIT测试，所以网络的通信开销相对较大。且由于其定位覆盖率有限，平均定位精度有限。
所以在节点及网络能量有限的情况下，最大限度提高定位精度是一个很受关注的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：本发明针对现有技术对于节点及网络的能量消耗与定位精度不能同时达到满意结果的情况，提出一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法。
本发明首先假定：
1、网络区域为矩形，网络中节点总数量为n，其中锚点数量为m；
2、由于个体及测量误差的存在，网络中每个节点的最大通信半径和最小通信半径是不相同的；
3、每一个节点与网络范围内其他节点之间的跳数已知；
4、为了工程计算的方便，所有节点的可能通信范围与必然通信范围都被当做圆来处理。
本发明的大概思路为：利用锚节点相对于未知节点的虚拟通信圆和锚节点的必然通信圆分别与未知节点当前的可能位置区域之间的位置关系来不断缩小未知节点的可能位置区域。未知节点遍历无线传感器网络中所有的锚点邻居后，未知节点的可能位置区域不再变化时，计算出此时未知节点的可能位置区域的质心作为该未知节点的估计位置。
在对本发明方法进行描述之前，先对一些名词术语进行定义：
锚点：为已知坐标位置的节点；
未知节点：为未知坐标位置的节点；
未知节点的可能位置区域：在本发明每一步骤操作之后均保证其为一个凸多边形形状；
未知节点的可能位置圆：包含未知节点的可能位置区域的所有顶点的最小圆；
锚点的必然通信圆(在后文中有时简称为必然通信圆)：圆心为锚点的坐标位置，半径为该锚点的最小通信半径；
锚点相对于未知节点的虚拟通信圆(在后文中有时简称为虚拟通信圆)：圆心为锚点的坐标位置，半径为该锚点的可能通信圆的半径加上集合中所有节点的最大通信半径的累加和；
锚点的可能通信圆：圆心为锚点的坐标位置，半径为该锚点的最大通信半径；
集合：从锚点As(1≤s≤m)到未知节点Ud(m+1≤d≤n)所经过的跳数最少的路径上的未知节点的集合，包括中间经过的全部未知节点但不包括作为起始节点的Ud节点和作为目的节点的As节点。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法，包括以下步骤：
步骤一、未知节点将假设为矩形的整个网络区域作为其初始可能位置区域。
步骤二、未知节点搜集其在矩形网络区域中所有锚点邻居的位置信息以及这些锚点邻居到自己的跳数信息。
步骤三、未知节点按照每个锚点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历自己的所有锚点邻居，未知节点对每个锚点邻居的处理过程具体为：
A、求出锚点邻居相对于未知节点的虚拟通信圆；
B、若该虚拟通信圆与未知节点的当前可能位置区域为部分相交，则继续执行步骤三的C步骤，若该虚拟通信圆包含未知节点的当前可能位置区域，则不再作任何处理，直接跳到下一个锚点邻居；
C、找到未知节点的当前可能位置区域位于该虚拟通信圆外的所有顶点，并将这些顶点与锚点邻居的位置坐标分别连接成直线；
D、通过这些直线与虚拟通信圆的交点作虚拟通信圆的切线，这些切线将未知节点的当前可能位置区域切分为两部分；
E、未知节点分别以这些切线为分界线，消除远离该虚拟通信圆的当前可能位置区域的部分，将剩余部分作为更新后的当前可能位置区域。
步骤四、未知节点按照每个锚点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历自己所有跳数大于1的锚点邻居，一直到未知节点的当前可能位置区域不再变化为止，未知节点对每个锚点邻居的处理过程具体为：
A、未知节点根据自己当前可能位置区域求出当前的可能位置圆，并求出锚点邻居的必然通信圆；
B、若该必然通信圆与未知节点当前的可能位置区域有交集区域，则继续执行步骤四的C步骤，若该必然通信圆与未知节点当前的可能位置区域无交集区域，则不再作任何处理，直接跳到下一个锚点邻居；
C、求出必然通信圆与未知节点的当前可能位置圆的两个交点所在直线，该直线将未知节点的当前可能位置区域切分为两部分；
D、未知节点分别以该直线为分界线，消除靠近必然通信圆的当前可能位置区域的部分，将剩余部分作为更新后的当前可能位置区域。
步骤五、未知节点计算最后得到的可能位置区域的质心坐标，并以该质心坐标作为未知节点的估计位置。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果有以下几点：
1、不仅利用到未知节点的1跳锚点邻居，而且利用网络中所有多跳锚点邻居来进行未知节点的可能位置区域的消除，有效地提高了定位精度。
2、本发明提出的计算方法基于对凸多边形的运算，计算量小，可以有效减小节点及网络的能量消耗，延长网络的生命周期。
3、本发明可用于山区旅游景观处对其生态环境、动植物资源的保护。对地势复杂以及地处山区的景点来说，当地的资源和环境保护有很大难度，人为去勘察和检测有一定的风险，一次可以应用本发明提出的方案以减少人力。在景区范围内布满传感器节点，有一部分节点携带GPS定位设备可提供精确位置，其他节点则属于未知节点，然后未知节点利用本发明的方法估计自身位置后，协同锚节点共同对资源及环境的数据进行采样并上传到景区中心系统，从而可以方便地到资源及环境的情况。
附图说明
图1为本发明的大体流程图。
图2显示了事先假定整个无线传感器网络区域为矩形。
图3为本发明实施例显示了利用锚节点A1的可能通信圆对未知节点Um+1的可能位置区域实施消除的方法。
图4为本发明实施例显示了利用锚节点A2相对于Um+1的虚拟通信圆对未知节点Um+1的可能位置区域实施消除的方法。
图5为本发明实施例显示了利用锚节点A3相对于Um+1的虚拟通信圆对未知节点Um+1的可能位置区域实施消除的方法。
图6为本发明实施例显示了利用锚节点A2的必然通信圆对未知节点Um+1的可能位置区域实施消除的方法。
图7为本发明实施例显示了利用锚节点A3的必然通信圆对未知节点Um+1的可能位置区域实施消除的方法。
图中标记：
图2中，Um+1为未知节点，A1，A2、A3是已知坐标位置的锚节点，并且，A1是未知节点Um+1的1跳锚点邻居，A2、A3是未知节点Um+1的2跳锚点邻居；
图3中，V1、V2、V3、V4为矩形网络区域的四个顶点，区域ABCD为第一次通过区域消除得到的结果，VPCC(A1)为锚点邻居A1相对于未知节点Um+1的虚拟通信圆；
图4中，VVCC(Um+1，A2)为锚点邻居A2相对于位置节点Um+1的虚拟通信圆，CEFGH为第二次通过区域消除得到的结果；
图5中，VVCC(Um+1，A3)为锚点邻居A3的必然通信圆，CEFIJ为第三次通过区域消除得到的结果；
图6中，VICC(A2)为锚点邻居A2的必然通信圆，EFIKJ为第四次通过区域消除得到的结果，TS为未知节点Um+1的可能位置圆与锚点邻居A2的必然通信圆之间的相交线；
图7中，VICC(A3)为锚点邻居A3的必然通信圆，FIKMN为第五次通过区域消除得到的结果，XY为未知节点Um+1的可能位置圆与锚点邻居A3的必然通信圆之间的相交线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作详细的说明。
实施例
一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法，其大体流程图如图1所示。图1中，PLA指可能位置区域。具体过程包括以下步骤：
步骤一如图2所示，未知节点Um+1将假设为矩形的整个网络区域作为其初始可能位置区域，其中，V1、V2、V3、V4为初始可能位置区域的四个顶点。
步骤二、未知节点Um+1搜集其在矩形网络区域中到自己的跳数在3跳以内(不包括3跳)的锚点邻居的位置信息以及到自己的跳数信息。搜集到的距离未知节点Um+1在3跳以内的锚点邻居为A1、A2、A3，其中A1为未知节点Um+1的1跳锚点邻居，A2、A3为未知节点Um+1的2跳锚点邻居。
步骤三、未知节点Um+1按照每个锚点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历自己的所有锚点邻居，未知节点对每个锚点邻居的处理过程具体为：
对锚点邻居A1的处理：如图3所示，未知节点Um+1求出锚点邻居A1相对于自己的可能通信圆VPCC(A1)(由于锚点邻居到未知节点的跳数为1，锚点邻居的虚拟通信圆实际上就是锚点邻居的可能通信圆)，将这些顶点V1、V2、V3、V4与锚点邻居A1的位置坐标分别连接成直线，然后通过这些直线与可能通信圆VPCC(A1)的交点P1、P2、P3、P4作切线，这些切线将未知节点Um+1的当前可能位置区域切分为两部分，未知节点Um+1分别以这些切线为分界线，消除远离该可能通信圆VPCC(A1)的当前可能位置区域的部分，将剩余部分ABCD作为更新后的当前可能位置区域。
对锚点邻居A2的处理：如图4所示，未知节点Um+1求出锚点邻居A2相对于自己的虚拟通信圆VVCC(Um+1，A2)，将未知节点Um+1的当前可能位置区域ABCD位于该虚拟通信圆VVCC(Um+1，A2)外的所有顶点A、B、D与锚点邻居A2的位置坐标分别连接成直线，然后通过这些直线与虚拟通信圆VVCC(Um+1，A2)的交点Q1、Q2、Q3作切线，这些切线将未知节点Um+1的当前可能位置区域ABCD切分为两部分，未知节点Um+1分别以这些切线为分界线，消除远离该虚拟通信圆VVCC(Um+1，A2)的当前可能位置区域ABCD的部分，将剩余部分CEFGH作为更新后的当前可能位置区域。
对锚点邻居A3的处理：如图5所示，未知节点Um+1求出锚点邻居A3相对于自己的虚拟通信圆VVCC(Um+1，A3)，将未知节点Um+1的当前可能位置区域CEFGH位于该虚拟通信圆VVCC(Um+1，A3)外的所有顶点G、H与锚点邻居A3的位置坐标分别连接成直线，然后通过这些直线与虚拟通信圆VVCC(Um+1，A3)的交点作切线，这些切线将未知节点Um+1的当前可能位置区域CEFGH切分为两部分，未知节点Um+1分别以这些切线为分界线，消除远离该虚拟通信圆VVCC(Um+1，A3)的当前可能位置区域CEFGH的部分，将剩余部分CEFIJ作为更新后的当前可能位置区域。
步骤四、未知节点按照每个锚点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历自己所有跳数大于1的锚点邻居，未知节点对每个锚点邻居的处理过程具体为：
对锚点邻居A2的处理：如图6所示，未知节点Um+1根据当前可能位置区域CEFIJ求出自己当前的可能位置圆VPLC(Um+1)，并求出锚点邻居A2的必然通信圆VICC(A2)，求出该必然通信圆VICC(A2)与自己的当前可能位置圆VPLC(Um+1)的交点T、S所在直线TS，直线TS将未知节点Um+1的当前可能位置区域CEFIJ切分为两部分，未知节点Um+1以直线TS为分界线，消除靠近该必然通信圆VICC(A2)的当前可能位置区域CEFIJ的部分，将剩余部分EFIKL作为更新后的当前可能位置区域。
对锚点邻居A3的处理：如图7所示，未知节点Um+1根据当前可能位置区域EFIKL求出自己当前的可能位置圆VPLC(Um+1)，并求出锚点邻居A3的必然通信圆VICC(A3)，求出该必然通信圆VICC(A2)与自己的当前可能位置圆VPLC(Um+1)的交点X、Y所在直线XY，直线XY将未知节点Um+1的当前可能位置区域EFIKL切分为两部分，未知节点Um+1以直线XY为分界线，消除靠近该必然通信圆VICC(A3)的当前可能位置区域EFIKL的部分，将剩余部分FIKMN作为更新后的当前可能位置区域。
步骤五、未知节点Um+1计算最后得到的可能位置区域FIKMN的质心坐标，并以该质心坐标作为未知节点Um+1的估计位置。

Claims (1)

1.一种基于区域消除对未知节点进行定位的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、未知节点将假设为矩形的整个网络区域作为其初始可能位置区域；
步骤二、未知节点搜集其在矩形网络区域中所有锚点邻居的位置信息以及这些锚点邻居到自己的跳数信息；
步骤三、未知节点按照每个锚点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历自己的所有锚点邻居，未知节点对每个锚点邻居的处理过程具体为：
A、求出锚点邻居相对于未知节点的虚拟通信圆；
B、若该虚拟通信圆与未知节点的当前可能位置区域为部分相交，则继续执行步骤三的C步骤，若该虚拟通信圆包含未知节点的当前可能位置区域，则不再作任何处理，直接跳到下一个锚点邻居；
C、找到未知节点的当前可能位置区域位于该虚拟通信圆外的所有顶点，并将这些顶点与锚点邻居的位置坐标分别连接成直线；
D、通过这些直线与虚拟通信圆的交点作虚拟通信圆的切线，这些切线将未知节点的当前可能位置区域切分为两部分；
E、未知节点分别以这些切线为分界线，消除远离该虚拟通信圆的当前可能位置区域的部分，将剩余部分作为更新后的当前可能位置区域；
步骤四、未知节点按照每个锚点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历自己所有跳数大于1的锚点邻居，一直到未知节点的当前可能位置区域不再变化为止，未知节点对每个锚点邻居的处理过程具体为：
A、未知节点根据自己当前可能位置区域求出当前的可能位置圆，并求出锚点邻居的必然通信圆；
B、若该必然通信圆与未知节点当前的可能位置区域有交集区域，则继续执行步骤四的C步骤，若该必然通信圆与未知节点当前的可能位置区域无交集区域，则不再作任何处理，直接跳到下一个锚点邻居；
C、求出必然通信圆与未知节点的当前可能位置圆的两个交点所在直线，该直线将未知节点的当前可能位置区域切分为两部分；
D、未知节点分别以该直线为分界线，消除靠近必然通信圆的当前可能位置区域的部分，将剩余部分作为更新后的当前可能位置区域；
步骤五、未知节点计算最后得到的可能位置区域的质心坐标，并以该质心坐标作为未知节点的估计位置。
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