CN105246150A - 一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用的一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，从检测网络空洞出发，判断未知节点在泛洪广播深度内是否存在网络空洞信标点，采用空洞信标点组之间的每跳距离来改进该未知点到空洞信标点的距离，改善因网络空洞造成的跳距曲折，提高网络空洞中未知节点的定位精度。

Description

一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法。

背景技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是一种分布式传感网络，它由部署在观测环境附近的大量微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域中被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络的重要研究领域是定位技术。

无线传感网络主要的定位方案分为测距方案和非测距方案。测距的方案需要测量节点间的距离、角度或信号强度信息，例如基于信号传输时间的方法(timeofarrival,TOA)、基于信号传输时间差的方法(timedifferenceofarrival,TDOA)、基于信号角度的方法(angleofarrival,AOA)和基于信号接收强度的方法(receivedsignalstrengthindicator,RSSI)。非测距方案则无需测量节点间的距离、角度和信号强度信息，例如质心算法(CentroidAlgorithm)、APIT(ApproximatePoint-InTtriangulation)算法和DV-Hop(DistanceVector-Hop)算法。与非测距方案相比，测距方案的优势是未知节点的定位精度高，但测距方案也有两个主要的劣势。一是它对节点的硬件配置要求较高，成本开销比较大。二是在某些场合，比如一个规模较大且信标点稀疏的网络中，未知节点无法与足够多的信标点进行直接测距，测距方法无法完成定位，在这种信标点稀疏的情况下，非测距方案中的DV-Hop算法是一种较好的解决方案。

DV-Hop算法是一种基于距离矢量路由的非测距定位算法。该算法中，未知节点利用距离矢量路由测得与信标点间的最小跳数，求得该信标点的平均每跳距离，未知节点通过计算所得信标点的平均每跳距离和到达该信标点的最小跳数的乘积，利用三边测量法或最小二乘法来计算未知节点的位置坐标。

DV-Hop算法的流程可以分为以下三个阶段：

第一阶段：获取信标点的位置信息以及距离信标点的最小跳数

每个信标点向全网发送包括位置信息和跳数信息的广播数据包，跳数字段的初始值为0。在一个信标点的通信半径内，当节点接收到该信标点的广播数据包时，此节点将数据包中的跳数加1，然后记录该数据包中的信息，将该数据包继续广播出去。如节点收到多个来自同一信标点的信息，该节点只保留跳数最小的信息组，通过这种方法记录自己到每个信标点的最小跳数以及信标点的位置信息。

第二阶段：估算未知节点到信标点的距离

根据两个信标点间的欧氏距离和最小跳数，计算信标点的平均每跳距离。每个信标点将计算得到的平均每跳距离广播到全网。每个未知节点收到各信标点的平均每跳距离后，通过平均每跳距离和第一阶段得到的到各信标点的最小跳数的乘积来计算与各信标点的近似距离。

第三阶段：未知节点计算位置坐标

未知节点得到与三个以上不同信标点的距离后，通过最小二乘法来计算自己的位置坐标。

DV-Hop算法的缺点是定位精度较低，在实现如图1所示的网络空洞中的未知节点定位时，依然会有较大的定位误差。其中本发明针对的网络空洞为：网络中节点分布是凹形的，且该凹口边界上的节点中至少有两个信标点。

因此，需要一种新的方法来解决网络空洞中的未知节点定位问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，以改善因网络空洞造成的跳距曲折，提高网络空洞中未知节点的定位精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法包括：S1、获取信标点的位置信息以及距离信标点的最小跳数；S2、检测网络空洞，其中：S21、首先，计算信标点到其它信标点的每跳距离；S22、然后，对信标点的每跳距离进行处理；S23、接着，判断信标点是否位于网络空洞内部，记录网络空洞中的信标点组；S3、处于网络空洞内部的信标点广播每跳距离到周围节点；S4、未知节点计算位置坐标。

进一步地，所述步骤S21可以包括：根据任一信标点到其它信标点之间的距离和最小跳数计算该信标点到各信标点的每跳距离，选取其中值最大的每跳距离。

进一步地，所述步骤S22可以包括：假设有n个信标点，信标点将其余(n-1)个每跳距离与值最大的每跳距离作差求绝对值，记为Δ_n，信标点设置一门限值，将Δ_n与该门限值作比较。

进一步地，所述步骤S23可以包括：若Δ_n大于该门限值，则Δ_n对应的信标点组位于网络空洞内部，记录该网络空洞信标点组，完成网络空洞的检测。

进一步地，所述步骤S3可以包括：处于网络空洞中的信标点将其每跳距离泛洪广播给周围节点，泛洪广播的深度为信标点组之间的跳数和每跳距离乘积的一半。

进一步地，所述步骤S4可以包括：未知节点判断其到网络空洞信标点的跳数，假如未知节点到空洞信标点的跳数大于该空洞信标点组跳数的一半，那么它到该信标点的近似距离将通过信标点组之间的每跳距离和未知节点到该信标点最小跳数的乘积来计算，否则未知节点到该信标点的近似距离依然使用DV-Hop方法来计算；未知节点得到与三个以上不同信标点的距离后，通过最小二乘法来计算自己的位置坐标。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

采用的一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，从检测网络空洞出发，判断未知节点在泛洪广播深度内是否存在网络空洞信标点，采用空洞信标点组之间的每跳距离来改进该未知点到空洞信标点的距离，改善因网络空洞造成的跳距曲折，提高网络空洞中未知节点的定位精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是网络空洞示意图。

图2是根据本发明一个实施例的方法流程示意图。

图3是根据本发明一个实施例的节点分布示意图。

图4是根据本发明一个实施例的跳数计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图2所示，对网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法进行实施，具体流程如下：

(1)设置8个无线传感器节点使其分布在100m*100m的平面区域，通信半径R为30m，如图3的节点分布示意图所示；

(2)获取信标点的位置信息以及距离信标点的最小跳数

如图4中的跳数计算示意图所示，每个信标点向全网发送包括位置信息和跳数信息的广播数据包，跳数字段的初始值为0。在一个信标点的通信半径内，当节点接收到该信标点的广播数据包时，此节点将数据包中的跳数加1，然后记录该数据包中的信息，将该数据包继续广播出去。如节点收到多个来自同一信标点的信息，该节点只保留跳数最小的信息组，通过这种方法记录自己到每个信标点的最小跳数以及信标点的位置信息。

(3)估算信标点的平均每跳距离并检测网络空洞

a)根据信标点i到其它信标点之间的欧氏距离和最小跳数，信标点i计算它到各信标点的每跳距离及信标点i的平均每跳距离，所述每跳距离和平均每跳距离分别如下：

dhp_i,k＝d_i,k/hop_i,k,k≠i(1)

${\mathrm{dhp}}_i=\left(\underset{k(k\≠i)}{\Σ}{d}_{i,k}\right)/\left(\underset{k(k\≠i)}{\Σ}{\mathrm{hop}}_{i,k}\right)---\left(2\right)$

式中，d_i,k是信标点i和k的欧氏距离，hop_i,k是信标点i和k之间的最小跳数。

b)信标点i比较它到其余各信标点的每跳距离，并选取其中值最大的每跳距离，记为max_dhp_i,k。

c)信标点i将其余(n-2)个每跳距离dhp_i,k与max_dhp_i,k作差求绝对值，记为Δdhp_i,k。

d)信标点设置一门限值p(本发明中建议p的取值范围为将Δdhp_i,k与门限值p作比较，若Δdhp_i,k小于等于p，则信标点i和k位于网络空洞内部；若Δdhp_i,k大于p，则信标点i和k位于网络空洞内部,记录该网络空洞信标点组{i，k}。

(4)估算未知节点到信标点的距离

a)处于网络空洞中的信标点i，k将其每跳距离泛洪广播给周围节点，泛洪广播的深度为信标点i，k之间的跳数hop_i,k和dhp_i,k乘积的一半。

b)未知节点判断其到网络空洞信标点的跳数，假如未知节点j到空洞信标点i的跳数大于hop_i,k/2，它到信标点的近似距离将通过信标点i到信标点k的每跳距离和未知节点j到信标点i最小跳数的乘积来计算；否则未知节点j到信标点i的近似距离依然使用DV-Hop方法，通过信标点i的平均每跳距离和未知点j到信标点i最小跳数的乘积来计算。

(5)位置节点计算位置坐标

未知节点得到与三个以上不同信标点的距离后，通过最小二乘法来计算自己的位置坐标。

本发明从检测网络空洞出发，判断未知节点在泛洪广播深度内是否存在网络空洞信标点，采用空洞信标点组之间的每跳距离来改进该未知点到空洞信标点的距离，改善因网络空洞造成的跳距曲折，提高网络空洞中未知节点的定位精度。

Claims (6)

1.一种基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，其特征在于，包括：

S1、获取信标点的位置信息以及距离信标点的最小跳数；

S2、检测网络空洞，其中：

S21、首先，计算信标点到其它信标点的每跳距离；

S22、然后，对该信标点的每跳距离进行处理；

S23、接着，判断信标点是否位于网络空洞内部，记录网络空洞中的信标点组；

S3、处于网络空洞内部的信标点广播每跳距离到周围节点；

S4、未知节点计算位置坐标。

2.如权利要求1所述的基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，其特征在于:所述步骤S21进一步包括：

根据任一信标点到其它信标点之间的距离和最小跳数计算该信标点到各信标点的每跳距离，选取其中值最大的每跳距离。

3.如权利要求1所述的基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，其特征在于:所述步骤S22进一步包括：

假设有n个信标点，信标点将其余(n-1)个每跳距离与值最大的每跳距离作差求绝对值，记为Δ_n，信标点设置一门限值，将Δ_n与该门限值作比较。

4.如权利要求1所述的基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，其特征在于:所述步骤S23进一步包括：

若Δ_n大于该门限值，则Δ_n对应的信标点组位于网络空洞内部，记录该网络空洞信标点组，完成网络空洞的检测。

5.如权利要求1所述的基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，其特征在于:所述步骤S3进一步包括：

处于网络空洞中的信标点将其每跳距离泛洪广播给周围节点，泛洪广播的深度为信标点组之间的跳数和每跳距离乘积的一半。

6.如权利要求1所述的基于网络空洞内部信标点组检测的免测距定位方法，其特征在于:所述步骤S4进一步包括：

未知节点判断其到网络空洞信标点的跳数，假如未知节点到空洞信标点的跳数大于该空洞信标点组跳数的一半，那么它到该信标点的近似距离将通过信标点组之间的每跳距离和未知节点到该信标点最小跳数的乘积来计算，否则未知节点到该信标点的近似距离依然使用DV-Hop方法来计算；

未知节点得到与三个以上不同信标点的距离后，通过最小二乘法来计算自己的位置坐标。