CN105764134A - 水下无线传感器节点的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下传感器网络、水下定位、时间同步、节能技术领域，尤其涉及一种水下无线传感器节点的定位方法。一种水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一,计算出未知节点与各信标节点之间的距离；步骤二,根据步骤一计算出的距离值，确定一个节点在水平位置的投影计算出节点的位置；步骤三，实现节点定位。本发明的有益效果是：结合水下特殊环境，以节点能耗为根本出发点，提出了设计一个高效节能自定位方案的关键在于将数据交换次数降低到最少；接着对分组交换过程进行改进，用本地时间戳减去收发器件中的分组处理时间来替代全局时间，得出了测距方案，有如下有益效果：高效节能；无需时间同步；不对称往返定位。

Description

水下无线传感器节点的定位方法

技术领域

本发明涉及水下传感器网络、水下定位、时间同步、节能技术领域，尤其涉及一种水下无线传感器节点的定位方法。

背景技术

UWSN中的定位过程与WSN中的定位过程有所不同，通常需要满足两个条件才能进行水下节点的自定位：任务完成后（这样的任务通常需要几天的时间）和基站已经收集到了相关数据。例如，在如今的海洋监测系统中，基站每隔几天就会汇集所有的监测数据，这时，研究者对这些大量的数据进行一些技术调查和预测，与此同时计算出所需的位置信息才有意义。因此，规定在一个定位区域中有若干信标节点和未知节点，信标节点无需实时的计算出未知节点的位置，只需存储必要信息为后续数据分析做准备即可。由于水环境中，声音的传播速度很慢，所以距离相关的定位方案更适用于水下无线传感器网络，从而信标节点只需要收集测距信息，而对于未知节点的位置估计可以在下一个任务中完成（一个任务中通常包含若干个定位作业）。然而，基于更深层次的考虑，信标节点甚至不需要收集测距数据，只需在任务结束时得到距离信息即可。因此，信标节点的任务只是将必要的距离估计信息和定位信息收集和存储起来。

虽然目前有一些定位算法无需时间同步，但采用的是对称的往返定位算法，这样做仍然不能降低通信开销。在对称往返定位方案中，两个节点通过交换一对分组来预测它们之间的距离。那么，如果有S个信标节点和L个未知节点，信标节点会发送S×L个测距请求给未知节点，之后，L个未知节点会回复S×L个响应，因此，为了完成测距任务，两个节点需要交换2SL个分组消息，这样通讯开销较大。即使我们利用水声信道的广播特性，每个信标节点广播一个测距请求，之后每个未知节点回复S个响应，也需要交换S+S×L=S(L+1)个分组消息。如果每个信标节点广播一个测距请求给所有的未知节点，之后每个未知节点也只广播一个响应信号给所有的信标节点，这样只要交换S+L个分组，但实现较为困难，因此我们需要设计高效的分组结构和传递方案以保证一个广播确认包含所有必要的回复信息。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的目的在于将通信开销降到最低，本方案只需要交换L+1个广播消息就能获得所有所需的测距信息，而且无需任何时间同步，因为所有计算相关的时间戳仅仅与本地时钟有关。计算复杂度低且易于扩展，为了提高定位精度，加入一个新的信标节点到定位区域中时，既不用修改已存在节点的程序又不会增加额外的计算量。

此目的是通过如下方式实现的：

一种水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一,计算出未知节点与各信标节点之间的距离；步骤二,根据步骤一计算出的距离值，确定一个节点在水平位置的投影计算出节点的位置；步骤三，实现节点定位。

进一步地，所述步骤一采用TOA方法来计算距离。

进一步地，所述步骤二采用最小二乘法来计算节点的坐标。

进一步地，所述步骤三实现节点定位需要基站、信标节点、未知节点三个部分。

进一步地，所述基站帮助信标节点定位，发布定位任务，任务结束时获取信息，当从信标节点中收集到所有数据后，计算出测距信息和所有节点的位置；所述信标节点只需要收集信息元组。

进一步地，所述未知节点是在固定水域中的传感器节点。

本专利提出的定位方法，结合水下特殊环境，以节点能耗为根本出发点，比较了目前一些需要时间同步或对称往返的定位方案，指出这些方案不够节能等缺点，提出了设计一个高效节能自定位方案的关键在于将数据交换次数降低到最少；接着对分组交换过程进行改进，用本地时间戳减去收发器件中的分组处理时间来替代全局时间，得出了测距方案，有如下有益效果：

（一）高效节能，整个过程中只发生了一对消息的分组交换，也就是两个发送事件，一个发生在信标节点的起始节点中，一个发生在未知节点中，而其他的信标节点只需要侦听广播。而相比于发送过程，接收过程消耗的能量更少。

（二）无需时间同步，可以从本地时钟获得时间戳来代替相关的经过时间。不过，需要强调的是在链路控制层（MAC），发送端的时间戳生成事件通常发生在分组将要发送的时刻，而接收端的这个过程通常是在整个分组成功接收后执行。因此，如果要用本地时间戳表示一个特定的时间跨度，就要用本地时间戳减去收发器件中的分组处理时间来替代全局时间

（三）不对称往返定位，首先，起始信标节点广播一个测距分组消息，之后，，其他信标节点以及未知节点A接收到该消息后，推迟一个随机的时间，A广播一个ACK响应给，然后不同的是，A并不能接收到自身发出的ACK响应，和其他信标节点都可以接收到。A无需立刻回复的广播，可在空闲时间回复。

附图说明

图1是水下无线传感器定位系统图；

图2是水下传感器节点图；

图3是定位方法实现步骤。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明定位方法一般分为三个步骤实现，步骤一,计算出未知节点与各信标节点之间的距离；步骤二,根据步骤一计算出的距离值，确定一个节点在水平位置的投影计算出节点的位置；步骤三，实现节点定位。

具体地，步骤一中，利用类似TOA的方法来测距，表示信号从信标节点传播到未知节点所耗费的时间，测得时间后，就可以计算出两节点之间的距离,在UWSN中情况，水下声波传播速率小，利用TOA方法测距能获得比较好的测距精度。将能耗尽可能的降低且无需时间同步。

在同一个定位区域中部署s个信标节点（位置已知）和l个未知节点（待定位），现如今许多用于水下无线传感器网络的水声的发送和接收部分是分离的，因此，可以假设信标节点能够接收到自己发送的分组数据包，同样可以假设节点中装有压力传感器以测量其深度。

在距离相关的定位方案中，为了在下一个任务中提供给基站计算位置信息，信标节点仅需要存储与测距相关的信息。s个信标节点 ，，....,一个未知节点A，选定作为测距过程的起点，T为全局精确时间，为节点X的本地时间。假设这些节点都在一个广播域中，则测距过程描述如下：

在时刻，广播一个消息，包含时间戳，然后，A分别在时刻时刻，时刻接收到这个消息分组，时间戳分别为，，。在一个任意的时间跨度之后，A执行一个退避来避免与发生碰撞，在时刻，A广播一个响应消息，包含时间戳，，。然后，和分别在时刻，时刻接收到这个响应消息，时间戳分别为，。由此得出方程组后计算出起始信标节点与未知节点的距离。整个过程中只发生了一对消息的分组交换，也就是两个发送事件，一个发生在信标节点的起始节点中，一个发生在未知节点中，而其他的信标节点只需要侦听广播。

步骤二中，当估计出未知节点与各信标节点之间的距离后，根据数学方法，只要确定一个节点在水平位置的投影就可以计算出这个节点的位置，这样就将三维问题转化为二维问题来解决。本方案采用最小二乘法来计算节点的坐标。

对于一个特定的未知节点A，基站能够获取A到通信范围内所有信标节点之间的距离，也就是（i={1...s}）。传感器节点的深度信息也可以通过压力传感器获取，将（i={1...s}）。映射到一个包含A的水平面上，根据数学方法，只要确定一个节点在这个水平面上的位置投影，就可以计算出这个节点的位置。

步骤二中，当估计出未知节点与各信标节点之间的距离后，根据数学方法，只要确定一个节点在水平位置的投影就可以计算出这个节点的位置，这样就将三维问题转化为二维问题来解决。本方案采用最小二乘法来计算节点的坐标。

对于一个特定的未知节点A，基站能够获取A到通信范围内所有信标节点之间的距离，也就是（i={1...s}）。传感器节点的深度信息也可以通过压力传感器获取，将（i={1...s}）。映射到一个包含A的水平面上，根据数学方法，只要确定一个节点在这个水平面上的位置投影，就可以计算出这个节点的位置。

步骤三中，实现节点定位。算法包含基站、信标节点、未知节点三个部分的算法。基站的主要任务是：帮助信标节点定位，发布定位任务，任务结束时获取信息。当从信标节点中收集到所有数据后，计算出测距信息和所有节点的位置。信标节点只需要收集信息元组。由于没有时间同步，就需要确认哪些信标节点收集哪些数据。未知节点就是在固定水域中的传感器节点。

Claims (6)

1.一种水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一,计算出未知节点与各信标节点之间的距离；步骤二,根据步骤一计算出的距离值，确定一个节点在水平位置的投影计算出节点的位置；步骤三，实现节点定位。

2.根据权利要求1所述的水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于：所述步骤一采用TOA方法来计算距离。

3.根据权利要求1所述的水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于：所述步骤二采用最小二乘法来计算节点的坐标。

4.根据权利要求2所述的水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于：所述步骤三实现节点定位需要基站、信标节点、未知节点三个部分。

5.根据权利要求4所述的水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于：所述基站帮助信标节点定位，发布定位任务，任务结束时获取信息，当从信标节点中收集到所有数据后，计算出测距信息和所有节点的位置；所述信标节点只需要收集信息元组。

6.根据权利要求4所述的水下无线传感器网络节点的定位方法，其特征在于：所述未知节点是在固定水域中的传感器节点。