CN107708202B - 一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents

一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于DV‑Hop的无线传感器网络节点定位方法，包含以下步骤：S1、节点按照相同的发射功率相互通信获取节点自身的邻居关系表；S2、使用最小二乘法计算锚节点的平均每跳距离；S3、使用邻居关系表对误差较大的节点位置进行修正。本发明有效减少了未定位节点的数量,提高了网络的节点覆盖率。位置未知节点通过锚节点位置信息利用非测距方法计算自身坐标。提高了定位精度并且有效地减少了锚节点使用数量,提高了锚节点的利用率。

Description

一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法。
背景技术
无线传感器网络是由大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织网络系统。由于受成本以及能量的限制，节点并不能全部配备GPS等定位设备。在实际使用中，节点的位置信息对于事件观测，目标跟踪，网络重构都是不可缺少的重要数据。定位精度较低的数据大大失去了其应用的价值，无线传感器网络的高精度节点定位技术有着很重要的研究意义。
目前无线传感器网络的节点定位技术主要分为两类：基于测距算法的定位技术和无需测距算法的定位技术。前者需要测量锚节点和其余所有节点距离的真实值或真实方位，然后利用空间几何的方法来计算其余节点的实际位置，如TOA(Time of Arrive)，TDOA(Time Difference of Arrive)，AOA(Angle of Arrive)和RSSI(Received SignalStrength Indicator)。后者则不需要实际距离或者方位，通过锚节点每跳的距离来对其余每个未知节点的位置进行计算，如质心算法，凸规划算法，DV-Hop算法，A-morphous算法，MDS-MAP算法和APIT算法。基于测距的算法由于知道每个未知节点与锚节点的实际距离或者绝对方位，精度相对比较高，但是测距或测量方向需要增加额外的硬件资源，对于成本或者功耗影响都相当的大，而无需测距的定位算法成本低，网络生存能力强，定位精度也基本上能满足实际应用需要，因此无需测距算法越来越受到广泛的关注，是目前研究的重点之一，但是传统无需测距算法存在计算精度误差大，而且具有方向误差的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法，该方法复杂度低，运行效率高，能适应于对节点位置较敏感的大面积的无线传感器网络节点定位系统，来解决传统无需测距算法存在计算精度误差大，而且具有方向误差的局限性的问题。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法，包含以下步骤：
S1、节点按照相同的发射功率相互通信获取节点自身的邻居关系表；
S2、使用最小二乘法计算锚节点的平均每跳距离；
S3、使用邻居关系表对误差较大的节点位置进行修正。
步骤S1中，所述节点自身的邻居关系表是通过节点之间使用相同的发射功率通信，记录能与自身节点直接通信的节点id的统计表。
由DV-Hop原理可以得知，步骤S2中，所述锚节点的平均每跳距离是通过所有锚节点到该锚节点的实际距离除以所有锚节点到该锚节点的最小跳数，即：
Figure BDA0001385393010000021
其中，f为锚节点的真实值与计算值的误差，hj是锚节点i到锚节点j的最小跳数；di,j是锚节点i和锚节点j之间的距离；
Figure BDA0001385393010000025
是锚节点的平均每跳距离；M为锚节点的个数；
由于未知节点的分布是随机的，所以算出的距离会与实际距离相差较大，为此对每跳平均距离进行优化。根据最小二乘法的原理，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配；利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，即：
Figure BDA0001385393010000022
从而得到用最小二乘法计算出锚节点的平均每跳距离
Figure BDA0001385393010000023
即：
Figure BDA0001385393010000024
所述步骤S3具体为：在通过三边测量法计算未知节点的坐标后，经与通信半径R比较就得到了一个新的邻居关系表，也是一个不准确的邻居关系表；通过新的邻居关系表与原来的真实邻居关系表相比较，能够得出哪些未知节点的计算坐标之间的误差超过设定的阈值，进而进行修正；
对某个未知节点计算得到的坐标的修正也可能会造成使该节点对另外的一些锚节点的邻居关系发生变化，所以需要在得到新的节点的位置坐标后，再确定新的邻居关系，再与真实的邻居关系对比，进行多次循环位置校正方法，不断优化未知节点的位置直到每一个未知最新的邻居关系与原来的邻居关系相符合或达到一定的循环次数才停止位置校正循环。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明所述的无线传感器网络节点定位系统没有对环境有特殊限制，使所述的无线传感器网络节点定位系统能够适应于应用在各种无线传感器网络的应用场景中。
2、本发明所述的无线传感器网络节点定位系统使用4G无线网关进行云端传输，其具备覆盖范围广，传输速度快，不需要拉网线，使得其成本大大降低，并且解决部分地区无法使用有线网的局限。
3、本发明所述的无线传感器网络节点定位系统，使用数据回传，服务器处理节点定位数据的方式进行节点定位计算。无需节点或网关因计算定位信息造成cpu的能量开销，降低了节点的能量消耗，并且服务器运算速度快而且具有稳定性。
4、本发明所述的无线传感器网络节点定位系统，公开了一种基于DV‐Hop的无线传感器网络节点定位算法。其算法复杂度低，定位精度高，能适应于对节点位置较敏感的大面积的无线传感器网络节点定位系统。
附图说明
图1是本发明所述一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法的未知节点与锚节点之间的最小跳数的获取示意图；
图2是本发明所述一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法的工作流程图；
图3a是本发明所述一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法的节点定位误差图。
图3b为原DV-Hop定位算法的节点定位误差图。
图4为本发明所述一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1，本技术方案提供一种未知节点与每一个锚节点之间的最小跳数的获取方法，所述未知节点与每一个锚节点之间的最小跳数的获取方法用于对未知节点到锚节点之间最小跳数的获取并对所述获取的数据进行本发明所述的基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位运算，从而获取位置位置的节点的坐标，所述的未知节点与每一个锚节点之间的最小跳数的获取方法包括步骤：
锚节点将自身的位置信息广播给自己的邻居节点，广播的信息中包含一个数据多跳的跳数字段，其初始值为零。当该信息每转发一次，该字段的值加一。接收节点保存收到的相同信息中的跳数字段最小的值来作为接收节点与锚节点之间的最小跳数。
每个节点在使用相同的发射功率的情况下具有相同的通信半径，在某节点通信范围内的节点到该节点的跳数记作一跳。由此可以得到一个所有节点的邻居关系表。因为这个邻居关系表是通过节点之间是否可以直接通信得到的，所以可以认为其为真实的邻居关系表。
位置未知的节点将获取到与每一个锚节点之间的最小跳数以及检点自身的邻居关系表通过4G无线网关经由云端将数据传输给服务器。
所述的服务器具备接收经由云端传输过来的数据，并结合锚节点的位置信息对接收到的数据进行节点定位计算处理，以得到较高精度的节点坐标。
所述的节点定位算法流程如图2所示，具体如下：
第一步，用最小二乘法计算平均每跳距离
Figure BDA0001385393010000051
由DV-Hop原理可以得知，该锚节点每跳平均距离是通过所有锚节点到该锚节点的实际距离除以所有锚节点到该锚节点的最小跳数。即：
Figure BDA0001385393010000052
其中，f为锚节点的真实值与计算值的误差，hj是锚节点i到锚节点j的最小跳数；M为锚节点的个数；
由于未知节点的分布是随机的，所以算出的距离会与实际距离相差较大，为此对每跳平均距离进行优化。根据最小二乘法的原理，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，即：
Figure BDA0001385393010000053
从而得到用最小二乘法计算出的平均每跳距离
Figure BDA0001385393010000054
即：
Figure BDA0001385393010000055
第二步，计算未知节点的坐标位置。在计算得到
Figure BDA0001385393010000057
之后之后通过
Figure BDA0001385393010000056
可以得到锚节点到任意一个未知节点k的估计距离Dik。其中hik是锚节点i到未知节点k的最小跳数。然后通过三边测量定位算法计算出未知节点的自身坐标。
第三步，利用锚节点与未知节点的通信半径对由计算坐标进行循环再优化。
在通过三边测量法计算未知节点的坐标后，经与通信半径R比较就得到了一个新的邻居关系表，也是一个不准确的邻居关系表。通过新的邻居关系表与原来的真实邻居关系表相比较，可以得出哪些未知节点的计算坐标有较大的误差，从而通过一定算法去修正这些节点的位置坐标。
通过上面的方法对某个未知节点计算得到的坐标的修正也可能会造成使该节点对另外的一些锚节点的邻居关系发生变化，所以需要在得到新的节点的位置坐标后，再确定新的邻居关系，再与真实的邻居关系对比，进行多次循环位置校正方法，不断优化未知节点的位置直到每一个未知最新的邻居关系与原来的邻居关系相符合或达到一定的循环次数才停止位置校正循环。最后把计算后到布点范围之外的节点坐标修正到布点范围内，达到最终优化效果。
通过图3a、3b所示的节点定位误差进行对比，可以发现，本专利所述的基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位系统对需要获取节点位置信息的无线传感器网络具有很好的应用效果。
如图4，一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位系统，包括：在感知区域内随机分布一些具有获取节点位置信息能力的锚节点、一些位位置未知的普通节点、配置了4G传输模块的网关节点以及远端的服务器。包括下述步骤：S1、初始化网络；S2、锚节点广播信息，未知节点接收并转发信息且记录到每一个锚节点的最小跳数；S3、各个节点记录能与自身直接通信其他节点的id，形成邻居关系表；S4、网关节点汇集节点的最小跳数、各个锚节点的位置信息以及各个节点的邻居关系表，并发送给远端服务器；S5、服务器根据锚节点的坐标信息以及最小二乘法对平均每跳距离进行预估计算，从而计算出每个位置未知的节点距离所有锚节点的预估距离；S6、通过三遍测量定位法计算出位置未知节点的有误差的坐标位置S7、通过计算得出的有误差的节点位置和节点的通信半径可以得到一个预估的节点邻居关系表；S8、通过对比真实的邻居关系表和计算得到的预估的邻居关系表来修正具有较大误差的节点位置；S9、重复步骤S7-S8,来对节点坐标进行不断修正，直到得出的邻居关系表与真实的邻居关系表相符合或达到一定的修正次数。
本发明有效减少了未定位节点的数量,提高了网络的节点覆盖率。位置未知节点通过锚节点位置信息利用非测距方法计算自身坐标。提高了定位精度并且有效地减少了锚节点使用数量,提高了锚节点的利用率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、节点按照相同的发射功率相互通信获取节点自身的邻居关系表；
S2、使用最小二乘法计算锚节点的平均每跳距离；
步骤S2中，所述锚节点的平均每跳距离是通过所有锚节点到该锚节点的实际距离除以所有锚节点到该锚节点的最小跳数，即：
Figure FDA0002250137030000011
其中，f为锚节点的真实值与计算值的误差，hj是锚节点i到锚节点j的最小跳数；di,j是锚节点i和锚节点j之间的距离；
Figure FDA0002250137030000012
是锚节点的平均每跳距离；M为锚节点的个数；
根据最小二乘法的原理，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配；利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，即：
Figure FDA0002250137030000013
从而得到用最小二乘法计算出锚节点的平均每跳距离
Figure FDA0002250137030000014
即：
Figure FDA0002250137030000015
S3、使用邻居关系表对误差较大的节点位置进行修正；
具体为：在通过三边测量法计算未知节点的坐标后，经与通信半径R比较就得到了一个新的邻居关系表，也是一个不准确的邻居关系表；通过新的邻居关系表与原来的真实邻居关系表相比较，能够得出哪些未知节点的计算坐标之间的误差超过设定的阈值，进而进行修正；
对某个未知节点计算得到的坐标的修正也可能会造成使该节点对另外的一些锚节点的邻居关系发生变化，所以需要在得到新的节点的位置坐标后，再确定新的邻居关系，再与真实的邻居关系对比，进行多次循环位置校正方法，不断优化未知节点的位置直到每一个未知最新的邻居关系与原来的邻居关系相符合或达到一定的循环次数才停止位置校正循环。
2.根据权利要求1所述基于DV-Hop的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于：步骤S1中，所述节点自身的邻居关系表是通过节点之间使用相同的发射功率通信，记录能与自身节点直接通信的节点id的统计表。
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