CN109640265A - 一种水声传感器网络节点自定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水声传感器网络节点自定位方法，采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答。本发明仅在波束内节点才进行回复的方式在很大程度上避免了冲突。而这种仅在波束内的节点才进行回复，这样，就在很大程度上避免的冲突。全向波通过换能器而变成窄波束，信息传播大大增加，单跳即可实现原多跳下的通信距离。仅需一个锚节点，且仅对锚节点的设备要求高，而对于其他的节点的设备要求不高。隐藏性好，窄波束的条件让通信更加隐蔽。

Description

一种水声传感器网络节点自定位方法

技术领域

本发明属于水下传感器网络技术领域，涉及一种水声传感器网络节点自定位方法，适合于从单锚节点出发的水声多跳传感器网络自定位方案。

背景技术

UASN全称为Underwater Acoustic Sensor Network，即水下声学传感器网络，其被广泛应用于民事活动，如海洋资源开发、环境探察等；和军事任务，如监视，反潜探测，反水雷任务等，具有重要意义和研究价值。而由于UASN作用的前提是它能知道自身的传感器节点位置，因此，水声传感器网络的自定位研究是重要研究课题。在地面无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)，定位一般是通过传感器间的信息交换(通过RF射频(Radio Frequency)通信)和GPS定位来实现，这在地面上比较容易实现。但是，GPS无线电信号在水中衰减非常迅速，导致在地面无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)适用的方法都不能直接应用于水下传感器网络。同时，人们发现声信号在水中有传播距离远，衰减小等优点，因此，声被广泛运用在水下的信息交互里。同时，水下声定位同样存在许多问题：对所有节点设备要求高，隐蔽性低，易冲突，定位算法限于单跳等等。

近些年，UASN的研究开始逐渐加多与加深，多种水下传感器网络的定位方案相继被提出。这里简单介绍三种典型算法：

AUV(Autonomous Underwater Vehicle)定位算法：AUV的定位方法比较多样，但是基本原理都是利用AUV的运动(知道AUV的具体地点)，并再利用AUV与待测节点的信息相互交流而得出待测节点与AUV的相对位置，进而算出待测节点的位置。

GPS(Global Positioning System)定位算法：因为水中电磁信号衰弱极快，GPS的定位是并不能直接运用在水下的。这个时候就需要将GPS系统与水下声学系统集成起来，形成了水下GPS系统。该定位算法工作的基本原理是，卫星把浮标坐标信息发射给GPS信号，GPS浮标接收到该信号之后，用水声传送给水下锚，水下锚运用一些水中运算的方法，得出自己位置。或者水下锚配备有GPS信号接收器，同时给它增加可以上浮下沉的功能，在需要定位的时候，进行上浮并接收信号进行定位。

DV-hop定位算法：其基本思想是采用泛波的形式发送信号，然后求出每跳平均距离与跳数，之后用这两个值的乘积来算出待测节点与锚节点之间的距离，再使用定位估计算法求出节点坐标信息。

可以看出以上的各种定位技术，各自有各自的特点，这是因为水下环境多样，应用条件多样。往往一种方法不会适用于所有条件。同时，以上算法各有优劣。例如AUV算法因为需要水下航行器，进而隐蔽性较低。以及使用AUV的情况下海洋路径不易保持。GPS算法需要使用较陆地GPS定位接收器更为复杂与昂贵的设备进行信号接收与处理。而DV-hop算法只有在网络拓扑较为规则的情况下具有良好的定位结果。还有基础的TOA、DOA等算法，需要较多的锚节点等等。从上，水下定位算法还需要不断的研究与改进。

目前定位的方法一般需要多个锚节点，而每个锚节点获得的信息较少，然后对多个锚节点的信息进行综合计算得出待测节点的位置。在这种情况下，就需要多个锚节点的设备要求都比较高，或者对待测节点的设备要求高，同时，部分现有算法通信隐蔽性差，节点分布规则要求高等等都成为了亟需解决的问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水声传感器网络节点自定位方法，将测距与测向相结合从单锚节点出发的分布式定位算法。同时设计了新颖且有效的避免冲突的方法将网络拓扑为多跳。总的来说，此算法是一种单锚节点条件下的分布式、低开销、远距离通信的适用于水声网络的自定位方法。

技术方案

一种水声传感器网络节点自定位方法，其特征在于：采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答；步骤如下：

步骤1：锚节点首先使用GPS获取自身位置信息，标记为(X₁，Y₁)；然后在时刻t0开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°；所发射的窄波束中包含有锚节点坐标与当前发射角度；

每次发射窄波束后，等待接收传感器节点完成继续下次发射；

步骤2：待测节点通过TOA的方法来计算自己与锚节点的距离

R＝C*(T_k-T_i)

其中：R待测节点与锚节点的距离，C为水声速度，Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，Tk是当前待测节点接收到信息的时刻；

待测节点计算自己的位置坐标：(X₁+R×sinβ，Y₁+R×cosβ)；

β为待测节点通过接收到的信息得到角度信息，或通过之前设定的时间与角度的关系从接收信息的时刻来推出的角度信息；

之后待测节点发射全向波信息；

步骤3：锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标，开始在第二个角度区间发射窄波束，重复步骤2；

当锚节点的波束旋转了一周之后，锚节点得到所有待测节点的坐标，所有的待测节点得到自身的坐标，且所有的待测节点均得到相邻节点ID与坐标。

所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答，具体描述如下：

步骤一：判断在波束内有可以一跳抵达锚节点的普通节点，若有，则由给中继节点根据自己与锚节点的距离是否可一跳可达，若可达则对传递过来的信息进行记录并与自己的待发送信息一起打包；

距离最远处的节点会首先发射。假定单跳的通信距离为γ，那么锚节点的窄波束假定因为换能器而能达到两跳的距离。那么延迟时间是与距离成反比，且与水声传播速度相关，即延迟时间为：

加以C上修正，使其较近的点在接收到了信息后再发送，即：

其中，为修正系数。C为水声传播速度，γ是单跳的通信距离，R是待测节点与锚节点之间的距离。

步骤二：若在波束内没有一跳可抵达锚节点的普通节点，则进行以下选择：

1.通过已扫过的节点回传信息，通过设定延迟时间在波束发射过一圈后再发射回馈信息，即在原本的发射信息的时刻上加T，若接收到有标记从单跳无法到达节点发来的信号，则在时间到后发射，否则不发送；所述T为旋转一周的时间；

2.通过未扫过的节点回传信息，未扫过的节点可以暂时记录下所接收的信息并打包，当波束扫到它的时候才进行发射。

有益效果

本发明提出的一种水声传感器网络节点自定位方法，有以下优势：

1.由于节点数未知，故而无法采用TDMA的方法，而仅利用aloha的应答方式冲突产生概率很高，本发明仅在波束内节点才进行回复的方式在很大程度上避免了冲突。而这种仅在波束内的节点才进行回复，这样，就在很大程度上避免的冲突。

2.全向波通过换能器而变成窄波束，信息传播大大增加，单跳即可实现原多跳下的通信距离。

3.满足了同时可以测距测向的要求。

4.仅需一个锚节点，且仅对锚节点的设备要求高，而对于其他的节点的设备要求不高。

5.集网络的自定位，初始化，拓扑发现，多跳，冲突避免于一体，功能强大。

6.隐藏性好，窄波束的条件让通信更加隐蔽。

附图说明

图1是本发明原理图(初始位置)

图2是本发明原理图(移动位置)

图3是本发明的窄波束发射信号信号结构图

图4是本发明待测节点发射信号信号结构图

图5是多跳示意图(在波束内有可以一跳抵达锚节点的普通节点)

图6是多跳示意图(中继节点已被波束扫过)

图7是多跳示意图(中继节点未被波束扫过)

图8是为尽量避免信息重复发送的中继节点信息结构图

图9节点分布图

图10定位效果读(窄波束为5°)

图11定位误差图(窄波束为5°)

图12定位效果图(窄波束为1°)

图13定位误差图(窄波束为5°)

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

基于波束切换的水声网络自定位方法

2D：如图1，在圆形的传感器锚点中，以一定的角度发射固定能量的窄波束，如图2旋转发射角度，即，使窄波束在360度旋转。

所发射的窄波束中包含有锚节点坐标与当前发射角度等。

当传感器节点接收到窄波束记录该角度，不仅可以用所发射能量和接收能量的差值计算与锚节点的距离。

TL＝n*10lg R+α*R (1)

TL是传播损失，n是常数，在不同的传播条件下取不同的数值，R是传播距离，α是吸收系数，可以由经验公式获得或者查阅有关曲线、数值表得到。

当然因为节点已经在布置时就进行了时间同步，所以也可以直接用时间与声速相乘获得距离信息。

R＝C×ΔT (2)

R是距离，C是水声速度，△T是传播时间。

在锚节点位置已知的情况下，知道未知传感器的节点的角度与距离即可以确定未知节点的位置。

下面对该定位算法工作流程进行详细介绍。分为锚节点部分和待测节点部分进行叙述。

为了达到低功耗的要求，本算法采用分布式的算法，不将信息汇总于中心系统处，而是依赖节点间信息的交换和协调，由节点自行计算。

网络由若干(>3)的未知传感器节点构成。

这些节点在布置时已完成时间同步。

第一步：锚节点：

在该算法中，锚节点首先需要使用GPS获取自身位置信息，标记为(x1，y1)。然后在规定的时刻t0开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°。

如窄波束的角度为1°，那么则在锚节点的0.5°，1.5°，2.5°，3.5°……355.5°的角度按顺序发射窄波束。窄波束的信息结构如图3。

由于同时发射与接收信息较难实现，所以，每次发射窄波束后，停止一定的时间来接收传感器节点。

第二步：待测节点：

当开始接收波束信号时进行记录，当下时间记为Tk。

由于时间已经进行了同步，所以此时待测节点可以通过TOA的方法来计算自己与锚节点的距离。

R＝C*(T_k-T_i) (3)

R待测节点与锚节点的距离，C为水声速度。Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，Tk是当前待测节点接收到信息的时刻。

同时，待测节点既可以通过接收到的信息得到角度信息，也可以通过之前设定的时间与角度的关系从接收信息的时刻来推出角度。这个角度用β表示。

之后待测节点开始计算自己的位置坐标(例如在第一象限)

(X₁+R×sinβ，Y₁+R×cosβ) (4)

(X1，Y1)是锚节点的坐标，R是待测节点与锚节点之间的距离。

待测节点是采用aloha方式进行应答，之后待测节点发射全向波信息，有两个目的

1.回馈锚节点，告知锚节点自己计算出来的坐标。

2.告诉周围节点自己是它们的相邻节点，即网络拓扑发现。

此时信息主要结构如图4：

其余待测节点接收到这个信息后记录该发射信号的节点的id及位置，标记其为邻居节点。

第三步：锚节点：

此时锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标。开始在第二个角度区间发射窄波束。之后待测节点，锚节点同理重复以上的步骤。

当锚节点的波束旋转了一周之后。此时，锚节点知道了所有节点的坐标，所有的待测节点都知道了自己的坐标，并且所有的待测节点都知道了相邻节点ID与坐标。

同时，因为锚节点知道所有节点的坐标，所以锚节点可以对各坐标之间的绝对距离进行计算，与通信距离进行比较来确定各节点哪些是相邻节点，既可以使锚节点也得知了各节点的相邻节点，也可以与普通节点的信息相互验证来对海况条件等信息作出粗略的估计。

多跳的实现与时延的设置

因为当锚节点发射信息时，全向波信息被换能器改变为了窄波束，所以原本多跳可达的距离变为了单跳可达，可是回程的时候普通锚节点无法做到单跳可达，所以此时，网络拓扑了多跳。同时这也是之前本发明中规定该网络已经做好了时间同步的原因，因为若没有时间同步，测距就只能用能量或者双向TOA来完成，前者的误差太大，后者的回程多跳测距过于复杂。

在普通节点进行回馈的时候，它是已经知道了自己的位置的，此时的回馈目的是告诉锚节点它的位置，之后分为以下几种情况(仅考虑两跳情况)

1)普通节点的回馈信息可以在一跳内抵达锚节点。

这种情况与上面单跳的情况下是一致的。

2)普通节点的回馈信息不可以在一跳内抵达锚节点

具体描述如下：

1.在波束内有可以一跳抵达锚节点的普通节点。

如图5，这种情况下，因为当距离较远的传感器节点1的信息传递出来的时候，因为较近的节点2也早已经收到了锚节点的信息，它2是知道自己与锚节点的相对距离的，在接收到信息后，它就可以计算1与锚节点的距离，若发现这个距离小于1的传播距离，则不去管它，若发现这个距离是大于1的传播距离的时候，则在自己的传播信息里加上1所要传播的信息，打包进行发送给锚节点。

为了避免冲突，同时为了2节点只发射一次信息来节省能量，所以，对于不同距离的传感器节点的应答设定延迟，越近的节点，其延迟时间越长。这样，距离最远处的节点会首先发射。假定单跳的通信距离为γ，那么锚节点的窄波束假定因为换能器而能达到两跳的距离。那么延迟时间是与距离成反比，且与水声传播速度相关，即延迟时间为：

γ是单跳的通信距离，R是待测节点与锚节点之间的距离。

在公式(5)的基础上，给C加修正，使其较近的点在接收到了信息后再发送，修正既可以在τ后面加个与L相关的代数式,

即：

也可以直接在C上修正。

即：

其中，为修正系数。

2.在波束内没有一跳可抵达锚节点的普通节点。

2.1.通过已扫过的节点。

如图6，通过设定延迟时间在波束发射过一圈后再发射回馈信息，即在原本的发射信息的时刻上加T(T为旋转一周的时间)，若接收到有标记为0的信号，则在时间到后发射，否则不发送。因为设定的延迟时间是一定的，之前在不同波束扫到的节点也以一定的顺序进行发送，故而不会发射冲突。

2.2.通过未扫过的节点

如图7未扫过的节点可以暂时记录下所接收的信息并打包，当波束扫到它的时候才进行发射。

以上的节点打包信息里，包含内容如图8

其中1？0分别指的是看自己的距离相对于自己的通信距离比较，是否可以抵达锚节点，如果可以抵达，则标记1，这样其他的节点只会把所接收的标记为0的信息进行打包。避免了节点信息的重复发送。

下面以总节点数目100，锚节点数目1为例。采用MATLAB对本发明的性能进行仿真，将锚节点布放在1000m×1000m的区域中心，其余99待测节点随机布放，节点分布图如图9所示，上述网络节点在布放于水中时已进行时钟同步，节点ID已知。

第一步：锚节点：

锚节点位置设为(500，500)。然后在规定的时刻Ti开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°。

令窄波束的角度为5°，则在锚节点首先在2.5°的角度按顺序发射窄波束。窄波束的信息结构如图3。

发射窄波束后，锚节点停止1.5s来接收传感器节点的回复信息。

第二步：待测节点：

开始接收波束信号后进行记录，记载出当下时间Tk。并计算自己与锚节点的距离的。

R_i＝C×(T_k-T_i) (8)

Ri为第i个待测节点与锚节点的距离，C为水声速度。Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，本仿真中为(i-1)×1.5s。

之后待测节点根据接收的角度信息和计算的距离信息开始计算自己的位置坐标(例如在第一象限)

(X₁+R×sinβ，Y₁+R×cosβ) (9)

待测节点根据距离设置aloha延迟，如算式(7)，因为本仿真最远距离约为707米，所以设置2*γ＝710米。令在该延迟上采用aloha方式进行应答，发射全向波信息，信息结构如图4。

其余待测节点接收到这个信息后记录该发射信号的节点的id及位置，标记其为邻居节点。

第三步：锚节点：

此时锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标。开始在第二个角度区间，即7.5°发射窄波束。之后待测节点，锚节点同理重复以上的步骤。

当锚节点的波束旋转了一周之后。此时，锚节点知道了所有节点的坐标，所有的待测节点都知道了自己的坐标，并且所有的待测节点都知道了相邻节点ID与坐标。定位结果如图10。

Matlab计算出误差结果如图11。

之后改为窄波束为1°，定位结果如图12，误差结果如图13。

Claims (2)

1.一种水声传感器网络节点自定位方法，其特征在于：采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答；步骤如下：

步骤1：锚节点首先使用GPS获取自身位置信息，标记为(X₁，Y₁)；然后在时刻t0开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°；所发射的窄波束中包含有锚节点坐标与当前发射角度；

每次发射窄波束后，等待接收传感器节点完成继续下次发射；

步骤2：待测节点通过TOA的方法来计算自己与锚节点的距离

R＝C*(T_k-T_i)

其中：R待测节点与锚节点的距离，C为水声速度，Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，Tk是当前待测节点接收到信息的时刻；

待测节点计算自己的位置坐标：(X₁+R×sinβ，Y₁+R×cosβ)；

β为待测节点通过接收到的信息得到角度信息，或通过之前设定的时间与角度的关系从接收信息的时刻来推出的角度信息；

之后待测节点发射全向波信息；

步骤3：锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标，开始在第二个角度区间发射窄波束，重复步骤2；

当锚节点的波束旋转了一周之后，锚节点得到所有待测节点的坐标，所有的待测节点得到自身的坐标，且所有的待测节点均得到相邻节点ID与坐标。

2.根据权利要求1所述水声传感器网络节点自定位方法，其特征在于：所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答，具体描述如下：

步骤一：判断在波束内有可以一跳抵达锚节点的普通节点，若有，则由给中继节点根据自己与锚节点的距离是否可一跳可达，若可达则对传递过来的信息进行记录并与自己的待发送信息一起打包；

距离最远处的节点会首先发射。假定单跳的通信距离为γ，那么锚节点的窄波束假定因为换能器而能达到两跳的距离。那么延迟时间是与距离成反比，且与水声传播速度相关，即延迟时间为：

加以C上修正，使其较近的点在接收到了信息后再发送，即：

其中，为修正系数。C为水声传播速度，γ是单跳的通信距离，R是待测节点与锚节点之间的距离。

步骤二：若在波束内没有一跳可抵达锚节点的普通节点，则进行以下选择：

1.通过已扫过的节点回传信息，通过设定延迟时间在波束发射过一圈后再发射回馈信息，即在原本的发射信息的时刻上加T，若接收到有标记从单跳无法到达节点发来的信号，则在时间到后发射，否则不发送；所述T为旋转一周的时间；

2.通过未扫过的节点回传信息，未扫过的节点可以暂时记录下所接收的信息并打包，当波束扫到它的时候才进行发射。