CN109819399A - 基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法，该方法基于802.11信标帧的定位信息扩散，利用信标帧的保留信息元素作为载体。此方法具有额外两点好处：一是当网络规模较小时，只需广播，不需要路由，也就没有OLSR数据包作为载体，而信标帧是组网必须的，始终存在，此时可以补位。二是信标帧的发送周期远远小于OLSR数据包，所以定位信息扩散更快，更能应对时变网络情形。

Description

基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法

技术领域

本发明涉及一种网络节点定位信息的传输方法(协议)，具体是一种基于802.11信标帧(Beacon frame)的网络节点定位信息的传输方法(协议)，属于网络定位信息传播技术领域。

背景技术

网络定位是无线传感网络、无人机网络、无线自组织网络中的关键技术。网络定位算法五花八门，有基于接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)的，有基于到达时间(Time of Arrival,TOA)的，还有基于到达角(Angel of Arrival,AOA)的，等等。显然，网络定位离不开各种各样的定位信息，所以实现网络定位信息在网络中的收集与扩散是完成网络定位的前提。

最简单直接的方法是：将这些定位信息独立封装成数据包，并从网络中划分出一部分通信资源专门用于定位信息数据包的网络传播。而这明显存在两个问题：1)封装成独立的数据包并专门分配网络资源进行传输给整个网络带来的负担比较大；2)仅仅着眼于定位信息收集与扩散目标而忽略其他，必然会造成网络资源的进一步浪费，信息扩散效率也未必有多高。反之，成本较高，且实现复杂度也会陡增。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法，该传输方法高效且网络开销低。

为了达到上述技术目的，本发明的技术方案是：

基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法，利用信标帧的保留信息元素(Information Elements)作为载体。所述方法以802.11信标帧的定位信息扩散方法(即现有的802.11信标帧的定位信息扩散协议)为基础。

信标帧是802.11标准的MAC层管理帧之一，它包含了网络的所有信息，负责通知各网络终端本网络的存在，以及各网络终端同步。在自组网中，全体网络节点负责信标帧发送。当某节点收到另一节点发送的信标帧，该节点则会在一个随机等待时间结束后发送一个信标帧，除非在此期间有其他节点已经发送了信标帧。如图1所示(添加了网络定位信息)，信标帧主要包括媒体接入控制头(MAC Header)和帧体(Frame Body)两部分，帧体中包含很多信息元素(Information Elements)，其结构如图2所示(数字表示字段所占字节数)。根据802.11标准，这些信息元素中编号为17-31、175-220和222-225的信息元素为保留元素(Reserved Elements)。于是可以将网络定位信息存于这些保留元素中。且在自组网模式下各节点都需要负责信标帧的发送，这就与“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximumlikelihood network localization using range estimation and GPS measurements."Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2017 9th InternationalConference on.IEEE,2017.”中Round Robin的轮流广播机制天然契合，而“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximum likelihood network localization using range estimationand GPS measurements."Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2017 9th International Conference on.IEEE,2017.”中并没有给出具体的信息扩散实施方案，于是可以利用信标帧作为此机制中信息传递的载体。

基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法，具体地：

(1)各节点将定位信息封装到信标帧的保留元素，假设网络中有N个节点，[N]＝{1，2，…，N}，表示一个集合；以第n个节点为例，其信标帧包括如下信息：

1.1节点n发送信标帧的时间T_n；

1.2节点n本地记录的，其他节点发送的信标帧的时间T_m(m≠n)；

1.3节点n本地记录的，任意节点接收信标帧的时间

R_ij(i∈[N]and j≠i)，此符号表示节点i接收到节点j发送的信标帧的时间；

1.4节点n本地记录的，网络中锚点标号及其坐标；

此处不需要再如论文[2]中所说的那样添加同步序列(如ZC序列)，用于确定接收时间，因为信标帧接收时间本就可以确定。第2、3条信息一开始在本地是没有记录的，随着信标帧的不断转发，这些信息会逐渐丰富起来。对于第4条信息，如果本节点是锚点，则一开始就要写入信标帧，如不是则为空，此信息后续也会逐渐丰富。

(2)各节点接收到其他节点发送的信标帧后，都会记录该信标帧的接收时间，以及该信标帧保留元素中添加的信息，所以，如果是节点m收到节点n发送的信标帧时，则会记录以下信息到本地：

2.1节点m接收到节点n发送的信标帧的时间：R_mn；

2.2节点n发送的信标帧中记录的,本信标帧的发送时间：T_n；

2.3节点n发送的信标帧中记录的其他节点的发送时间：T_k(k≠n)，以及记录的任意节点接收信标帧的时间：R_ij(i∈[N]and j≠i)；

2.4节点m信标帧中记录的，网络中锚点标号及其坐标；

如果节点m本地已经记录过相关的信息，不会立即更新本地记录。目的在于防止出现部分R_mn和T_n不匹配。直到发起下一次定位信息收集时才会更新。

(3)经过多次轮回之后，各个节点都收集到一套以下信息：

3.1任意节点接收其他节点信标帧的时间：R_mn(m∈[N]and m≠n)；

3.2任意节点发送信标帧的时间：T_m(m∈[N]).；

基于这些信息，就可以得到网络中一跳节点间距离：

d_mn＝C(R_mn-T_m)，m，n∈[N]and m≠n。

得到这些距离信息之后就可以采用“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximumlikelihood network localization using range estimation and GPS measurements."Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2017 9th InternationalConference on.IEEE,2017.”中SCP定位算法进行基于测距的网络定位，可获得较高的网络定位精度。

本发明方法的有益效果：

(1)当网络规模较小时，数据只需直接广播，不需要路由，也就没有OLSR数据包作为载体，而信标帧是组网必须的，始终存在，此时可以补位。

(2)信标帧的发送周期(默认102.4毫秒)远远小于OLSR数据包(Hello包默认3秒，TC包默认5秒)，所以定位信息扩散更快，更能应对时变网络情形。

附图说明

图1为802.11标准的信标帧结构图。

图2为信息元素结构图。

图3为测距误差的累积分布函数图。

图4为SCP算法网络定位误差的累积分布函数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

基于802.11信标帧的定位信息扩散协议。具体内容如下(假设网络中有N个节点，[N]＝{1，2，…，N}，表示一个集合)：

第一步，各节点将定位信息封装到信标帧的保留元素。以第n个节点为例，其信标帧包括如下信息：

1)节点n发送信标帧的时间T_n；

2)节点n本地记录的，其他节点发送的信标帧的时间T_m(m≠n)；

3)节点n本地记录的，任意节点接收信标帧的时间R_ij(i∈[N]and j≠i)，此符号表示节点i接收到节点j发送的信标帧的时间；

4)节点n本地记录的，网络中锚点标号，及其坐标。

第二步，各节点接收到其他节点发送的信标帧后，都会记录该信标帧的接收时间，以及该信标帧保留元素中添加的信息。所以，如果是节点m收到节点n发送的信标帧时，则会记录以下信息到本地：

1)节点m接收到节点n发送的信标帧的时间：R_mn；

2)节点n发送的信标帧中记录的,本信标帧的发送时间：T_n；

3)节点n发送的信标帧中记录的其他节点的发送时间：T_k(k≠n)，以及记录的任意节点接收信标帧的时间：R_ij(i∈[N]and j≠i).

4)节点m信标帧中记录的，网络中锚点标号，及其坐标。

第三步，经过几次轮回之后，各个节点都收集到一套以下信息：

1)任意节点接收其他节点信标帧的时间：R_mn(m∈[N]and m≠n)；

2)任意节点发送信标帧的时间：T_m(m∈[N]).

基于这些信息，就可以得到网络中一跳节点间距离：

d_mn＝C(R_mn-T_m)，m，n∈[N]and m≠n

使用Matlab模拟一个基于802.11信标帧的定位信息扩散机制。作为一次具体的实例实现，网络中一共设置了15个节点，节点随机分布在200米×200米×200米的三维空间中，该空间中两点的最远距离为米。网络规模相对实例1要小一点，这也很符合实际。若节点间距离小于200，则认为它们是一跳邻居节点，由于测距是通过收发时间差实现，所以实际只能测得这些一跳邻居间的距离。且在实际应用中，由于设备精度等问题，测距会存在一定的误差。网络中设置有4个GPS节点，此仿真处主要反应测距误差对网络定位的影响，所以GPS的测量误差设置的很小，服从高斯分布其中I为单位阵。本次仿真试验设置的测距误差服从均值为0标准差为0.5的高斯分布。设置节点发送信标帧的周期为102.4毫秒，仿真总时长为10秒。仿真过程中，节点轮流发送信标帧，几个轮回之后，网络中所有的节点都汇聚了各节点间信标帧收发时间。基于这些信息，就可以计算出网络中所有一跳节点的距离。以网络中第1个节点为例，它获得的节点间的测距与真实距离误差的累积分布函数如图3所示。

得到这些距离信息之后就可以“Yu,Hongwei,and Yi Jiang."Maximumlikelihood network localization using range estimation and GPS measurements."Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2017 9th InternationalConference on.IEEE,2017.”中SCP定位算法进行基于测距的网络定位，可获得较高的网络定位精度。定位误差的累积分布函数如图4所示。从图中可以看到，基于本发明方法传播汇聚得到的定位信息，可以较好的实现网络定位，所有节点定位误差在0.5米以内，低于测距标准差，体现了网络协作效应。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于802.11信标帧的网络节点定位信息的传输方法，所述方法以802.11信标帧的定位信息扩散方法为基础，其特征在于：

(1)各节点将定位信息封装到信标帧的保留元素，假设网络中有N个节点，[N]＝{1，2，…，N}，表示一个集合，以第n个节点为例，其信标帧包括如下信息：

1.1节点n发送信标帧的时间T_n；

1.2节点n本地记录的，其他节点发送的信标帧的时间T_m(m≠n)；

1.3节点n本地记录的，任意节点接收信标帧的时间R_ij(i∈[N] and j≠i)，此符号表示节点i接收到节点j发送的信标帧的时间；

1.4节点n本地记录的，网络中锚点标号及其坐标；

(2)各节点接收到其他节点发送的信标帧后，都会记录该信标帧的接收时间，以及该信标帧保留元素中添加的信息，所以，节点m收到节点n发送的信标帧时，则会记录以下信息到本地：

2.1节点m接收到节点n发送的信标帧的时间：R_mn；

2.2节点n发送的信标帧中记录的,本信标帧的发送时间：T_n；

2.3节点n发送的信标帧中记录的其他节点的发送时间：T_k(k≠n)，以及记录的任意节点接收信标帧的时间：R_ij(i∈[N] and j≠i)；

2.4节点m信标帧中记录的，网络中锚点标号及其坐标；

(3)经过多次轮回之后，各个节点都收集到一套以下信息：

3.1任意节点接收其他节点信标帧的时间：R_mn(m∈[N] and m≠n)；

3.2任意节点发送信标帧的时间：T_m(m∈[N])；

基于这些信息，就可以得到网络中一跳节点间距离：

d_mn＝C(R_mn-T_m)，m，n∈[N] and m≠n。