CN105101363A - 一种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种未知节点利用多跳节点缩小其可能位置区域的定位方法，大体思路为：未知节点利用其锚点邻居和未知节点邻居相对于自己的虚拟通信圆以及锚点邻居和未知节点邻居的必然通信圆分别与未知节点的当前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，再遍历所有未知节点邻居，当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未知节点的估计位置。本发明利用了网络中所有多跳节点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；本发明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

一种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法
技术领域
本发明涉及一种未知节点定位方法，特别是一种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法，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。
NicolescuD提出的DV-Hop算法(DragosNioulescuandBadriNath,“DVbasedpositioninginadhocnetworks”,inJournalTelecommunicationSystems,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，AgpalRN提出了Amorphous算法(NagpalR,ShrobeHandBachrachJ,“OrganizaingaglobalcoordiratesystermfromlocalinformationonanADHocsensornetwork[C].inProc.Int.WorkshoponinfremationProcessinginSensorNetworks,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。
SimicsN在同一时期提出了BoundingBox算法(SlobodanNSimicandShankarSastry,“Distributedlocalizationinwirelessadhocnetworks”,inTechnicalReport,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。
HeT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.Stankovic,andT.Abdelzaher,“Range-freeLocalizationSchemesinLargeScaleSensorNetworks”,inProceedingsofthe9thAnnualInternationalConferenceonMobileComputingandNetworking(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，提出一种利用多跳未知节点来提高定位精度的定位方法。
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：未知节点利用网络中其它未知节点邻居相对于自己的虚拟通信圆以及未知节点邻居的必然通信圆，分别与未知节点的当前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，未知节点遍历网络中所有的未知节点邻居，当未知节点的PLA不再变化时，计算出此时未知节点当前可能位置区域的质心作为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：
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。
如2所示为未知节点U1的当前可能位置区域和可能位置圆的示意图。
未知节点的必然通信圆(在后文中有时简称为必然通信圆)：圆心为未知节点的当前坐标位置，半径为该未知节点的最小通信半径。
未知节点邻居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)：圆心为未知节点邻居的当前坐标位置，半径为该未知节点邻居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。
如图3所示为未知节点U1的必然通信圆和虚拟通信圆的示意图。
未知节点的可能通信圆：圆心为未知节点的当前坐标位置，半径为该未知节点的最大通信半径。
集合：从未知节点邻居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：
一种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法，包括以下步骤：
步骤一、未知节点搜集网络中其他未知节点邻居的当前可能位置区域信息以及距离自己的跳数信息。
步骤二、未知节点按照每个未知节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未知节点邻居，未知节点对每个未知节点邻居的处理过程具体如下：
A、求出未知节点邻居相对于未知节点的当前虚拟通信圆；
B、若该虚拟通信圆与未知节点的当前可能位置区域有部分交集，则继续执行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，则不做任何处理，直接跳到下一个未知节点邻居；
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虚拟通信圆的圆心分别连接成直线；
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，这些切线分别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界，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。
步骤三、未知节点按照每个未知节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跳数大于1的未知节点邻居，未知节点对每个未知节点邻居的处理过程具体如下：
A、未知节点根据自己的当前可能位置区域求出当前可能位置圆，并求出未知节点邻居的必然通信圆；
B、若该必然通信圆与未知节点的当前可能位置区域有交集区域，则执行C步骤，若该必然通信圆与未知节点的当前可能位置区域无交集区域，则不做任何处理，直接跳到下一个未知节点邻居；
C、求出该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成两部分；
D、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。
步骤四、未知节点将自己更新后的当前可能位置区域广播给其他未知节点邻居，其他未知节点邻居根据本未知节点当前的可能位置区域更新自己的可能位置区域，然后再分别将结果广播给本未知节点，如此反复计算，一直到网络中所有未知节点的可能位置区域不再变化。
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，作为该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、利用网络中所有多跳未知节点邻居的位置信息以及跳数关系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。
附图说明
图1是本发明的阀体流程图。
图2显示了本发明中未知节点U1的可能位置区域VPLA(U1)和可能位置圆VPLC(U1)之间的关系。其中，为可能位置圆VPLC(U1)的半径。
图3显示了本发明中未知节点U1的可能通信圆VPCC(U1)和必然通信圆VICC(U1)之间的关系。其中，可能通信圆VPCC(U1)的半径为必然通信圆VICC(U1)的半径为为未知节点U1的最大通信半径，为未知节点U1的最小通信半径。
图4显示了本发明实施例中利用未知节点U2的可能通信圆VPCC(U2)来缩小未知节点U1的当前可能位置区域VPLA(U1)。
图5显示了本发明实施例中利用未知节点U3相对于U1的虚拟通信圆VVCC(U1，U3)来缩小未知节点U1的当前可能位置区域VPLA(U1)。
图6显示了本发明实施例中利用未知节点U4相对于U1的虚拟通信圆VVCC(U1，U4)来缩小未知节点U1的当前可能位置区域VPLA(U1)。
图7显示了本发明实施例中利用未知节点U3的必然通信圆VICC(U3)来缩小未知节点U1的当前可能位置区域VPLA(U1)。
图8显示了本发明实施例中利用未知节点U4的必然通信圆VICC(U4)来缩小未知节点U1的当前可能位置区域VPLA(U1)。
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
一种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法，包括以下步骤：
步骤一、未知节点U1搜集网络中其他未知节点邻居的当前可能位置区域信息以及距离自己的跳数信息。在本实施例中，搜集3跳以内(不包括3跳)的未知节点邻居，U2为1跳未知节点邻居，U3、U4为2跳未知节点邻居。
步骤二、未知节点U1按照每个未知节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未知节点邻居，未知节点U1对每个未知节点邻居的处理过程具体如下：
1、如图4所示。求出未知节点邻居U2相对于未知节点U1的当前可能通信圆VPCC(U2)(由于未知节点邻居U2距离未知节点U1的跳数为1，其虚拟通信圆实际上为未知节点邻居U2的可能通信圆)；找到未知节点U1的当前可能位置区域位于该可能通信圆VPCC(U2)外的顶点C并将该顶点C与可能通信圆VPCC(U2)的圆心O2分别连接成直线；通过这条直线与可能通信圆VPCC(U2)的交点作切线FG，切线FG分别将未知节点U1的当前可能位置区域ABCDE切分为两部分；未知节点U1分别以切线FG为界，消除远离该可能通信圆VPCC(U2)的当前可能位置区域的部分，将剩余部分ABFGDE作为更新后的当前可能位置区域。
2、如图5所示。求出未知节点邻居U3相对于未知节点U1的当前虚拟通信圆VVCC(U1，U3)；若找到未知节点U1的当前可能位置区域ABFGDE位于该虚拟通信圆VVCC(U1，U3)外的顶点E并将该顶点E与虚拟通信圆VVCC(U1，U3)的圆心O3分别连接成直线；通过该直线与虚拟通信圆VVCC(U1，U3)的交点作切线HI，切线HI分别将未知节点U1的当前可能位置区域ABFGDE切分为两部分；未知节点U1分别以切线HI为界，消除远离该虚拟通信圆VVCC(U1，U3)的当前可能位置区域的部分，将剩余部分ABFGDIH作为更新后的当前可能位置区域。
3、如图6所示。求出未知节点邻居U4相对于未知节点U1的当前虚拟通信圆VVCC(U1，U4)；找到未知节点U1的当前可能位置区域ABFGDIH位于该虚拟通信圆VVCC(U1，U4)外的所有顶点D、G并将这些顶点D、G与虚拟通信圆VVCC(U1，U4)的圆心O4分别连接成直线；通过这些直线与虚拟通信圆VVCC(U1，U4)的交点K、L作切线，这些切线分别将未知节点U1的当前可能位置区域ABFGDIH切分为两部分；未知节点U1分别以这些切线为界，消除远离该虚拟通信圆VVCC(U1，U4)的当前可能位置区域的部分，将剩余部分ABFJKLIH作为更新后的当前可能位置区域。
步骤三、未知节点U1按照每个未知节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跳数大于1的未知节点邻居，未知节点U1对每个未知节点邻居的处理过程具体如下：
1、如图7所示。未知节点U1根据自己的当前可能位置区域ABFJKLIH求出当前可能位置圆VPLC(U1)，并求出未知节点邻居U3的必然通信圆VICC(U3)；求出该必然通信圆VICC(U3)与未知节点U1的当前可能位置圆VPLC(U1)的两个交点B、K所在直线BK，该直线BK将未知节点U1的当前可能位置区域ABFJKLIH切分成两部分；消除靠近必然通信圆VICC(U3)的当前可能位置区域的部分，将剩余部分AMNKLIH作为更新后的当前可能位置区域。
2、如图8所示。未知节点U1根据自己的当前可能位置区域AMNKLIH求出当前可能位置圆VPLC(U1)，并求出未知节点邻居U4的必然通信圆VICC(U4)；求出该必然通信圆VICC(U4)与未知节点U4的当前可能位置圆VPLC(U1)的两个交点所在直线，该直线将未知节点U4的当前可能位置区域AMNKLIH切分成两部分；消除靠近必然通信圆VICC(U4)的当前可能位置区域的部分，将剩余部分作NKLIHOP为更新后的当前可能位置区域。
步骤四、未知节点U1将自己更新后的当前可能位置区域广播给其他未知节点邻居，其他未知节点邻居根据本未知节点U1当前的可能位置区域更新自己的可能位置区域，然后再分别将结果广播给本未知节点U1，如此反复计算，一直到网络中所有未知节点U1的可能位置区域不再变化。
步骤五、未知节点U1计算最后得到的可能位置区域的质心坐标，作为该未知节点U1的估计位置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种未知节点利用多跳节点缩小其可能位置区域的定位方法，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距离自己的跳数信息；
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分别作虚拟通信圆的切线，这些切线分别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，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的可能位置圆有交集区域，则继续执行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、求出该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、未知节点搜集其在矩形网络区域中所有未知节点邻居的当前可能位置区域信息以及这些未知节点邻居距离自己的跳数信息；
步骤六、未知节点按照每个未知节点邻居距离自己的跳数从小到大的顺序依次遍历所有未知节点邻居，未知节点对每个未知节点邻居的处理过程具体为：
A、求出未知节点邻居当前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，则不做任何处理，直接跳到下一个未知节点邻居；
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，并将这些顶点与该虚拟通信圆的圆心分别连接成直线；
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；
步骤七、未知节点按照每个未知节点邻居距离自己的跳数从小到大的顺序依次遍历所有跳数大于1的未知节点邻居，未知节点对每个未知节点邻居的处理过程具体为：
A、未知节点根据自己当前的可能位置区域求出当前可能位置圆，并求出未知节点邻居当前相对于未知节点的必然通信圆；
B、若该必然通信圆与未知节点的当前可能位置区域有交集区域，则继续执行C步骤；若该必然通信圆与未知节点的当前可能位置区域无交集区域，则不做任何处理，直接跳到下一个未知节点邻居；
C、求出必然通信圆与自己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；
步骤八、未知节点将自己更新后的当前可能位置区域广播给其他未知节点邻居，其他未知节点邻居根据本未知节点当前的可能位置区域更新自己的可能位置区域，然后再分别将结果广播给本未知节点，如此反复计算，一直到网络中所有未知节点的可能位置区域不再变化；
步骤九、未知节点计算最后得到的可能位置区域的质心坐标，作为该未知节点的估计位置。
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Patentee before: No.2 Inst, China Civil Aviation General Bureau