CN105898858A - 一种不依赖于邻居节点的apit节点定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不依赖于邻节点的APIT节点定位方法，主要解决无线传感器网络中未知节点定位问题。其实现步骤为：未知节点在其通信范围内任意选择三个锚节点，并在其组成的三角形三边或者内部随机分布N个虚拟节点；然后估算各虚拟节点接收到各锚节点信号的RSSI，并跟自己测量到对应锚节点RSSI进行比较，从而确定其跟锚节点组成三角形的位置关系：如果未知节点向各虚拟节点移动时均不会同时靠近三个锚节点，则位于三角形内部；反之，如果未知节点向某个虚拟节点移动时会同时靠近三个锚节点，则位于三角形外部。未知节点遍历所有锚节点，求出其位于内部的所有三角形重叠区域的质心，即未知节点的位置。本发明定位精度高且不依赖于网络节点的密度和分布。

Description

一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种不依赖于邻居节点的三角形内点测试法的APIT节点定位方法，用于解决各种规模和拓扑结构的无线传感器网络中节点的定位问题。

背景技术

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内有关信息，并将其发送给控制中心。

在大多数情况下无线传感器网络节点需要知道自身所处的位置，对于大部分实际应用而言，未知位置信息网络节点所感知和采集的数据信息是毫无意义的，因此节点定位技术起着非常重要的作用。作为无线传感器网络重要支撑技术之一，节点定位技术已经成为无线传感器网络在各种实际应用中的基础。

目前最典型定位技术，如广泛应用的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)，其通过接收卫星信号来确定节点的位置信息，还有电信运营商提供的基于移动通信基站信号的定位系统。

在实际的定位系统中，考虑到各种因素(例如成本，适用性，可靠性等)，不可能所有节点都装备GPS或其他定位设备，锚节点(已知位置信息的节点)在网络中的比例一般较低，其位置信息可以通过装备GPS或其他定位设备得到。未知节点通过跟锚节点之间相互通信，测量和获取各种参数(距离，角度，连通度，邻居信息)，从而确定与锚节点之间的位置关系，然后按照某种定位算法计算得到未知节点的位置信息。

随着无线传感器网络的发展和改进，定位技术在无线传感器网络应用中已经变得成熟。然而，当前的无无线传感器网络节点定位技术仍然受到诸多方面的挑战。例如定位技术如何适应各种规模和拓扑结构的无线传感器网络，如何在复杂的地理和电磁环境下更能够保证节点定位的精度等等。

目前业内已提出许多无线传感网络定位算法，根据对位置估计策略的不同可以将其分为两大类：基于测距技术的定位方法和无需测距技术的定位方法。基于测距的定位方法需要估计未知节点跟各锚节点之间的距离，然后结合锚节点的位置和定位算法进行位置估计；而无需测距的定位方法则不必估计未知节点和锚节点之间的距离，直接根据锚节点位置和接收信号的特征信息(如接收信号强度)来估计位置。

其中，典型的技术方案有以下几种：

1.基于电波传输时间/时间差/入射角的定位方法，未知节点接收邻近锚节点发出的信号，通过测量信号的传播时间或两种同时发射的不同传播速率的信号(如无线电波和超声波)的到达时间差，来计算未知节点和锚节点之间的距离，然后利用三边定位法计算未知节点的位置信息。或者节点利用天线阵列测量锚节点发射信道号入射角，利用三角测量法得到未知节点的位置信息。上述方法对硬件要求较高，当网络中节点之间距离较短时，准确测量上述参数相对较难，实现难度较大，而且抗干扰性较差。

2.基于接收信号强度测量的定位方法，未知节点通过测量接收到锚节点发送的信号的接收信号强度，根据无线信号传播损耗模型计算出二者之间的距离，然后利用三边定位法得到未知节点的位置信息。利用RSSI测距的定位算法易受信号传播环境反射、非视距、多径传播和背景噪声等影响，测距估计误差较大。

3.质心定位方法，质心算法是一种简单的无需测距技术的算法，其仅基于网络的连通性来确定未知节点的位置。测距时锚节点将带有自己位置信息的数据包发送给未知节点，未知节点接收并解调来自多个锚节点的数据包，然后计算有这些锚节点组成的多边形的质心，及未知节点的位置信息。该算法定位精度较低，且依赖于网络中无线传感器节点的密度和分布，一般适用于高密度无线传感器网络。

4.依赖于邻节点的APIT定位方法，未知节点从其周围通信范围内的N个锚节点中每次任意取出三个锚节点，然后利用未知节点周围邻节点以及无线信号强度与传播距离的关系来近似节点的移动特性来确定自己处在所选中的三个锚节点组成的三角形内部还是外部，遍历所有的锚节点组合，最后求未知节点在其内部的所有三角形重叠区域的质心，即未知节点的位置信息。该算法容易受节点密度的影响，当锚节点个数较少时，APIT算法定位精度会降低，另外当未知节点靠近三角形的一条边，或者锚节点分布不均匀时，APIT内点测试算法可能会误判，从而使定位误差增大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的问题，在现有的ZigBee协议的基础上，提出一种不依赖于邻居节点的APIT定位系统及方法，以提高未知节点定位精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、术语说明

APIT：近似三角形内点测试；

RSSI：接收信号强度指示；

MAC层：媒质接入控制层；

数据帧：承载用户数据业务内容的链路层协议单元；

锚节点：已知位置信息的网络节点；

未知节点：未知其位置信息的网络节点；

二、一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统，包括：节点定位模块、媒质接入控制模块、接收信号解析模块、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形成模块、调制或编码模块，其中：节点定位模块包括：

锚节点列表单元，用于记录未知节点周围通信范围内所有锚节点信息；

未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元，用于未知节点测量并记录接收到各锚节点信号的接收信号强度；

虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元，用于未知节点根据所选取的三个锚节点，在其组成的三角形内部或三条边上随机分布n个虚拟节点，并估算并记录各虚拟节点接收到锚节点信号的接收信号强度；

不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元，用于判断未知节点是否在其所选取的三个锚节点组成三角形的内部；

三角形重叠区域的质心计算单元，用于求解所有内部包含未知节点的所有三角形的重叠区域，并计算该区域的质心。

三、一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位方法，包括如下步骤：

(1)所有锚节点向网络内广播携带有自己的位置信息、标识号和发送功率的数据帧；

(2)未知节点测量并记录各锚节点广播数据帧的接收信号强度；

(3)未知节点在其周围通信范围内的所有锚节点中任意选取三个锚节点，如果锚节点个数不足三个，则等待周围未知节点确定自己位置升级为锚节点；

(4)未知节点根据锚节点的坐标信息，在所选取的三个锚节点组成的三角形的三条边上，或者在其内部随机分布n个虚拟节点；

(5)未知节点利用不依赖邻居节点的近似三角形内点测试法原理确定自身与锚节点组成三角形的位置关系；

(6)未知节点重复执行上述步骤(3)～(5)，直到遍历其周围通信范围内的所有锚节点；

(7)求解所有未知节点在其内部的所有三角形的重叠区域，并计算重叠区域质心，即为未知节点位置坐标。

本发明具有如下优点：

本发明与依赖于物理邻节点的APIT定位方法相比，不存在由于未知节点位置特殊或者周围邻居节点个数较少而造成误判的问题。本发明中未知节点定位不依赖于网络节点密度和周围邻居节点的分布，未知节点不需要跟虚拟邻节点进行信息交换，且计算简单，通过增加虚拟节点个数可以提高节点定位精度，适用于各种规模和拓扑结构的无线传感器网络。

附图说明

图1～图4为本发明的原理示意图；

图5为本发明的系统结构框图；

图6为本发明系统中的节点定位模块结构框图；

图7为本发明未知节点定位总流程图；

图8为本发明不依赖于邻居节点的近似三角形内点测试流程图；

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面参照附图对本发明进行进一步的详细说明。

参照图1～图4，本发明技术原理如下：

如图1所示，设节点A、节点B和节点C三个锚节点组成，节点M为未知节点。当未知节点M分别向着垂直于三角形三边的方向移动时，如图1(a)所示，如果未知节点位于三角形内部，则未知节点均不会同时靠近或远离三个锚节点；如图1(b)所示，如果未知节点位于三角形外部，则存在一个方向上(如图中垂直于BC边的方向)使得未知节点在移动时会同时远离或靠近三个锚节点。

在实际应用中，由于未知节点不确定自己坐标信息，因此无法确定上述垂直于三角形三条边的方向。为了实现上述思想，首先未知节点根据锚节点的坐标信息，在锚节点组成三角形的内部(如图2所示)或者在三角形的三条边上(如图3所示)随机分布n个虚拟节点。该n个虚拟节点的坐标信息未知节点是已知的，因此可以计算出各虚拟节点与锚节点之间的距离，然后未知节点M根据无线信号传播损耗模型估算在各虚拟节点上接收到各锚节点信号的RSSI，并将估算到的各锚节点RSSI跟自己测量到的对应锚节点RSSI进行对比，从而可以确定当自己移动到虚拟节点位置时自己与三个锚节点之间距离关系变化。当随机分布的虚拟节点个数足够多时，其中一定存在三个虚拟节点使得未知节点向着该三个虚拟节点移动时，其方向分别垂直于三角形的三条边，因此可以以此判断未知节点是否处在锚节点组成三角形内部：如果未知节点近似向各虚拟节点移动时，未知节点均不会同时远离或者靠近三个锚节点，则可以判断其位于三角形内部；如果存在一个虚拟节点使得未知节点移动到该虚拟节点时，未知节点会同时靠近三个锚节点，则可以判断其位于三角形外部。依次类推，当未知节点遍历其周围通信范围内的所有锚节点，根据上述方法找到所有内部包含未知节点的三角形，如图4所示，然后求解所有三角形重叠区域的质心，即可得到未知节点的坐标信息。

参照图5，本发明的系统包括：节点定位模块10、媒质接入控制模块20、物理层信道管理模块30、MAC层帧提取模块40、接收信号解析模块50、模数转换器60、物理层帧形成模块70、调制或编码模块80、数模转换器90、射频前端模块A0、和天线。其中：

媒质接入控制模块20、物理层帧形成模块70、调制或编码模块80、数模转换器90与射频前端模块A0依次单向连接，构成数据发送通道；射频前端模块A0、模数转换器60、接收信号解析模块50、MAC层帧提取模块40与媒质接入控制模块20依次单向连接，构成数据接收通道。MAC层帧提取模块40跟节点定位模块10单相连接，用于向节点定位模块传递锚节点广播的数据帧中所携带的信息；节点定位模块10跟媒质接入控制模块20双向连接，用于将节点定位信息传递给其他未知节点或中心控制节点；射频前端模块A0与物理信道管理模块30双向连接传递控制与通知消息；物理信道管理模块30与媒质接入控制模块20单向连接，向媒质接入控制模块通知信道状态；射频前端模块80与天线双向连接接收和发送无线信号。

当锚节点广播携带其位置信息、标示以及发射功率等参数的数据帧时，媒质接入模块20将包含有上述信息的MAC层数据帧交给物理层帧形成模块70，添加PLCP帧头组成物理层数据帧后再通过调制/编码模块80和数模转换器90，经射频前端模块从天线发送出去。当未知节点接收到锚节点广播的数据帧时，MAC层帧提取模块40将中携带的锚节点位置信息、锚节点标示以及发射功率等信息传递给节点定位模块10。节点定位模块10记录下锚节点表示，以及对应的位置坐标和接收信号强度等信息；然后由节点定位模块根据上述信息确定未知节点的位置。

参照图6，本发明所述节点定位模块包括：锚节点列表记录101、未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元102、虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元103、不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元104和三角形重叠区域质心计算单元105。其中锚节点列表记录单元101跟外部MAC层帧提取模块40单向链接，用于记录未知节点周围锚节点标示和对应的坐标信息。未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元102通过外部媒质接入模块20跟物理信道管理单元30单向链接，用于记录物理层测量到对应锚节点接收信号的RSSI。虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元103与锚节点列表记录单元101单向链接，用于未知节点根据所选取的三个锚节点，在其组成的三角形内部或三条边上随机分布虚拟节点，并估算各虚拟节点接收到锚节点信号的RSSI；未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元102和虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元103同时跟不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元104单相连接，用于将定位所需要的参数信息传递给不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元，从而判断未知节点是否在选取的三角形内部。三角形重叠区域质心计算单元105跟不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元104单相连接，用于求解所有内部包含未知节点的三角形的重叠区域的质心，得到未知节点的坐标信息。

参照图7，本发明一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位方法的实现，包括如下步骤：

步骤1，所有锚节点向网络内广播携带有自己的位置信息、标识号和发送功率的数据帧。

步骤2，未知节点测量并记录各锚节点广播数据帧的接收信号强度。

步骤3，未知节点在其周围通信范围内的所有锚节点中任意选取三个锚节点，如果锚节点个数不足三个，则等待周围未知节点确定自己位置升级为锚节点。

步骤4，未知节点根据锚节点的坐标信息，在所选取的三个锚节点组成的三角形的三条边上，或者在其内部随机分布n个虚拟节点。

步骤5，未知节点利用不依赖邻居节点的近似三角形内点测试法，判断自己是否处于三个锚节点组成三角型的内部。

参照图8，本步骤的具体实现如下：

(5a)未知节点估算各虚拟节点接收到各锚节点信号的RSSI，并跟自己测量到的对应锚节点RSSI进行比较，得到未知节点向各虚拟节点移动时与锚节点的相对位置的变化关系；

(5b)未知节点根据当其向着各虚拟节点移动时与锚节点的相对位置的变化关系，确定自己是否处在锚节点组成三角形的内部：即如果未知节点向各虚拟节点移动时均不会同时靠近三个锚节点，则其位于三角形内部；反之，如果未知节点向某个虚拟节点移动时会同时靠近三个锚节点，则其位于三角形外部；

(5c)如果未知节点处在锚节点组成的三角形内部，则记录下这三个锚节点组成三角形，继续执行步骤(6)；否则，直接执行步骤(6)。

步骤6，未知节点重复执行上述步骤(3)～(5)，直到遍历周围通信范围内的所有锚节点。

步骤7，求解所有未知节点在其内部的所有三角形的重叠区域，并计算重叠区域质心，即为未知节点位置坐标。

Claims (3)

1.一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位系统，包括：节点定位模块、媒质接入控制模块、接收信号解析模块、射频前端模块、模数转换器、数模转换器、MAC层帧提取模块、物理层帧形成模块、调制或编码模块，其中：节点定位模块包括：

锚节点列表单元，用于记录未知节点周围通信范围内所有锚节点信息；

未知节点接收锚节点信号的RSSI记录单元，用于未知节点测量并记录接收到各锚节点信号的接收信号强度；

虚拟节点接收锚节点信号的RSSI估算单元，用于未知节点根据所选取的三个锚节点，在其组成的三角形内部或三条边上随机分布n个虚拟节点，并估算并记录各虚拟节点接收到锚节点信号的接收信号强度；

不依赖于邻居节点的三角形内点测试单元，用于判断未知节点是否在其所选取的三个锚节点组成三角形的内部；

三角形重叠区域的质心计算单元，用于求解所有内部包含未知节点的所有三角形的重叠区域，并计算该区域的质心。

2.一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位方法，包括如下步骤

(1)所有锚节点向网络内广播携带有自己的位置信息、标识号和发送功率的数据帧；

(2)未知节点测量并记录各锚节点广播数据帧的接收信号强度；

(3)未知节点在其周围通信范围内的所有锚节点中任意选取三个锚节点，如果锚节点个数不足三个，则等待周围未知节点确定自己位置升级为锚节点；

(4)未知节点根据锚节点的坐标信息，在所选取的三个锚节点组成的三角形的三条边上，或者在其内部随机分布n个虚拟节点；

(5)未知节点利用不依赖邻居节点的近似三角形内点测试法原理确定自身与锚节点组成三角形的位置关系；

(6)未知节点重复执行上述步骤(3)～(5)，直到遍历其周围通信范围内的所有锚节点；

(7)求解所有未知节点在其内部的所有三角形的重叠区域，并计算重叠区域质心，即为未知节点位置坐标。

3.根据权利要求2所述的一种不依赖于邻居节点的APIT节点定位方法，其中步骤(5)中不依赖邻居节点的近似三角形内点测试法，包括以下步骤：

(5a)未知节点估算各虚拟节点接收到各锚节点信号的RSSI，并跟自己测量到的对应锚节点RSSI进行比较，得到未知节点向各虚拟节点移动时与锚节点的相对位置的变化关系；

(5b)未知节点根据当其向着各虚拟节点移动时与锚节点的相对位置的变化关系，确定自己是否处在锚节点组成三角形的内部：即如果未知节点向各虚拟节点移动时均不会同时靠近三个锚节点，则其位于三角形内部；反之，如果未知节点向某个虚拟节点移动时会同时靠近三个锚节点，则其位于三角形外部；

(5c)如果未知节点处在锚节点组成的三角形内部，则记录下这三个锚节点组成三角形，继续执行步骤(6)；否则，直接执行步骤(6)。