CN110062459A - 一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，涉及了信息感知与数据采集领域。该方法通过设置跳数阈值，筛选出参与定位的信标节点，同时提出了反距离加权精度校正方法，从全局角度考虑多个信标节点对未知节点平均跳距的影响，计算出未知节点的平均跳距，然后根据未知节点与信标节点的相对位置分布，分成两种情况去计算未知节点的平均跳距，最后根据这两种情况下所估算的未知节点的位置坐标，计算出未知节点的最终位置坐标。本发明能够在不增加额外硬件设备的前提下，提高无线传感器网络环境中的未知节点位置坐标的定位精度，适合大规模范围下的使用。

Description

一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络信息感知和数据采集领域，具体设计了一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统。

背景技术

无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)综合了微机电技术、传感器技术、分布式信息处理技术、网络技术和通信技术，在信息感知和数据采集领域取得了重大的突破，可以广泛应用于环境监测、国防军事、医疗卫生、智能建筑等方面。节点定位是无线传感器网络WSN研究与应用的前提条件，节点位置的定位精度直接影响了整个无线传感器网络的性能，因此，实现高精度的节点定位对无线传感器网络WSN具有重要的意义。

目前的节点定位算法依据是否需要角度和距离信息，可以分为基于测距的定位算法(Range-Based)和非基于测距的定位算法(Range-Free)两种。基于测距的定位算法可以通过距离或角度的获取来估算节点位置信息，虽然可以得到较为准确的定位信息，但是这种定位算法对网络中的硬件设施要求较高，同时在完成定位的过程中，计算和通信开销较大，从成本和功耗方面综合考虑，该算法不适合在大规模WSN中使用。而对于非基于测距的定位算法，无需获取距离或角度信息，仅需要通过网络中的连通性信息来计算节点的位置，虽然得到定位信息不如前一种方法精确，但是这种定位算法无需增加额外的硬件设施，且成本低、功耗小，可以满足对定位精度要求不高的网络中的应用。

目前，非基于测距的定位算法是无线传感器网络WSN领域的研究热点，人们在传统定位算法的基础上，针对于如何提高无线传感器网络未知节点定位精度，提出了很多改进优化算法。

发明内容

本发明设计一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统。用于解决无线传感器网络环境中未知节点位置坐标定位精度低的问题，为了达到该目的，该方法通过设置跳数阈值对参与未知节点定位的信标节点进行筛选，舍去不符合跳数阈值机制的信标节点，同时提出了反距离加权精度校正法，通过设置加权值来反应不同信标节点对未知节点平均跳距的影响，最后根据未知节点与信标节点的相对位置，分情况分别采用多边测量法和质心定位算法来计算出未知节点的位置坐标。

区别于现有的处理方法，本发明的有益效果是：传统的定位方法，只考虑离未知节点最近的信标节点对其平均跳距的影响，忽略了整个网络对其的影响，容易产生较大的定位误差。其次，传统定位方法在计算未知节点的位置坐标时，只考虑了理想状态下的节点分布，忽略了节点分布不能使用多边测量法进行坐标计算的情况，因此会导致定位精度降低。本发明在不增加额外硬件需求的前提下，从整体上考虑参与定位的信标节点对未知节点位置坐标的影响，同时根据节点分布情况，分类别计算未知节点的平均跳距，有效的提高了节点的定位精度。

附图说明

图1是本发明所述的使用多边测量法计算未知节点位置坐标的节点分布图；图2是本发明所述的使用质心定位法计算未知节点的节点分布图；图3是本发明所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统的流程图。

具体实施方式

请参阅图3所示：

1、一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：未知节点对信标节点数据集采集，采集信标节点的位置信息，一个初始值为0表示跳数的参数信息，区分不同信标节点的信标消息，得到参与未知节点定位的信标节点数据集，进入步骤二；

步骤二：未知节点平均跳距的计算，设置跳数阈值P，筛选参与定位的信标节点，采用反距离加权校正方法，计算出未知节点到信标节点的估计距离和未知节点的平均跳距，进入步骤三；

步骤三：未知节点位置坐标计算，根据未知节点与信标节点的两种分布情况，分别采用两种不同的节点坐标计算方法，最终计算出未知节点的位置坐标；

2、根据权力要求1所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，步骤一中所述得到未知节点对信标节点数据集采集方法包括以下步骤：

步骤一：首先未知节点接收到参与定位的信标节点的信标消息后，创建一个用于记录节点到信标节点最小跳数的路由表，并且在传播过程中不断地更新，进入步骤二；

步骤二：然后当节点接收信标消息时，首先它会先检查路由表中是否存在相应信标节点的记录。如果记录不存在，则节点将会在路由表中记录该信标节点的信标消息。如果记录存在，并且信标消息中的跳数值小于表中记录的值，则更新路由表中记录的值，并将此信息发给邻居节点，否则舍去；

3、根据权力要求1所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，步骤二所述的未知节点平均跳距的计算包括以下步骤：

步骤一：跳数阈值P的选择受到网络中节点的连通度以及信标节点在整个网络中所占比例的影响，且跳数阈值P随着连通度的增大而减小，随着信标节点占比的增大而减小。在a×a的正方形网络区域中，节点通信半径为R，参与定位的信标节点个数为N₁，整个网络的节点总数为N₂，信标节点的密度为ρ，则跳数阈值P的计算公式为：

式中P_max表示参与定位的信标节点到未知节点最小跳数集合中的最大值，该值的选取应该尽量满足所有未知节点的定位。根据信标节点到未知节点的最小跳数集，筛选出小于跳数阈值P的信标节点，进入步骤二；

步骤二：筛选出参与定位的信标节点后，我们采用传统定位方法，采用公式(2)计算信标节点的平均跳距，采用公式(3)计算出未知节点到信标节点的距离：

其中，C_i表示信标节点i的平均跳距，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别表示信标节点i，j的坐标，h_ij表示信标节点i和信标节点j之间的跳数；

d_Mi＝C_M×hop_Mi (3)

其中，d_Mi表示未知节点M与信标节点i之间的估计距离，C_M表示未知节点M的平均跳距，hop_Mi表示未知节点M与信标节点i之间的最小跳数，进入步骤三；

步骤三：最后，我们提出反距离加权精度校正方法，对参与定位的信标节点进行加权计算，并根据公式(4)计算出信标节点的加权值，然后利用公式(5)从整体角度考虑，计算出未知节点的平均跳距，其计算公式为：

其中，W_i为信标节点i的平均跳距加权值，其计算公式为；

其中，C_M为未知节点M的平均跳距；

4、根据权力要求1所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，步骤三所述的未知节点位置坐标计算包括以下步骤：

步骤一：对于满足多边测量法要求的节点，即以参与定位的信标节点为圆心，以信标节点到未知节点估算距离为半径，几何上形成多个圆交于一点的情况，采用多边测量法，计算未知节点的位置，其计算公式为：

其中，(x₀，y₀)表示未知节点M的坐标，(x_i，y_i)(i＝1，2，...，N)表示信标节点i的坐标，d_Mi表示未知节点M到信标节点i的估计距离。用公式(6)中的每一行依次去减最后一行，可以将公式(6)转化为公式(7)，其计算公式为：

公式(7)可以转化为矩阵形式AX＝b，其中A、X、b的计算公式分别为：

最后，通过最小二乘法求解该方程，节点分布情况一的未知节点位置坐标计算公式为：

X＝(A^TW_iA)^-1A^TW_ib (11)

步骤二：对于不满足多边测量法的节点，即以参与定位的信标节点为圆心，以信标节点到未知节点估算距离为半径，几何上形成多个圆交于一个范围的情况，采用质心定位算法，首先从N个信标节点中任意选取三个信标节点，计算未知节点的位置，其计算公式为：

根据公式(12)可以得到6个交点的坐标，对这6个交点坐标取平均值，即可得到此次使用质心定位算法计算得到的未知节点位置坐标，其计算公式为：

其中，(a₁，b₁)表示此次使用质心定位算法计算得到的未知节点位置坐标，表示交点坐标。对于N个信标节点，采用质心定位算法，可以得到节点分布情况二的知节点位置坐标，其计算公式为：

步骤三，根据以上两种方法求取的结果，最终得到未知节点M的位置坐标(x_M，y_M)的计算公式为：

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等流程变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：未知节点对信标节点数据集采集，采集信标节点的位置信息，一个初始值为0表示跳数的参数信息，区分不同信标节点的信标消息，得到参与未知节点定位的信标节点数据集；

步骤二：未知节点平均跳距的计算，设置跳数阈值P，筛选参与定位的信标节点，采用反距离加权校正方法，计算出未知节点到信标节点的估计距离和未知节点的平均跳距；

步骤三：未知节点位置坐标计算，根据未知节点与信标节点的两种分布情况，分别采用两种不同的节点坐标计算方法，最终计算出未知节点的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，步骤一中所述得到未知节点对信标节点数据集采集方法包括以下步骤：

步骤一：首先未知节点接收到参与定位的信标节点的信标消息后，创建一个用于记录节点到信标节点最小跳数的路由表，并且在传播过程中不断地更新；

步骤二：然后当节点接收信标消息时，首先它会先检查路由表中是否存在相应信标节点的记录。如果记录不存在，则节点将会在路由表中记录该信标节点的信标消息。如果记录存在，并且信标消息中的跳数值小于表中记录的值，则更新路由表中记录的值，并将此信息发给邻居节点，否则舍去。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，步骤二所述的未知节点平均跳距的计算包括以下步骤：

步骤一：跳数阈值P的选择受到网络中节点的连通度以及信标节点在整个网络中所占比例的影响，且跳数阈值P随着连通度的增大而减小，随着信标节点占比的增大而减小。在a×a的正方形网络区域中，节点通信半径为R，参与定位的信标节点个数为N₁，整个网络的节点总数为N₂，信标节点的密度为ρ，则跳数阈值P的计算公式为：

式中P_max表示参与定位的信标节点到未知节点最小跳数集合中的最大值，该值的选取应该尽量满足所有未知节点的定位。根据信标节点到未知节点的最小跳数集，筛选出小于跳数阈值P的信标节点；

步骤二：筛选出参与定位的信标节点后，我们采用传统定位方法，采用公式(2)计算信标节点的平均跳距，采用公式(3)计算出未知节点到信标节点的距离：

其中，C_i表示信标节点i的平均跳距，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别表示信标节点i，j的坐标，h_ij表示信标节点i和信标节点j之间的跳数；

d_Mi＝C_M×hop_Mi (3)

其中，d_Mi表示未知节点M与信标节点i之间的估计距离，C_M表示未知节点M的平均跳距，hop_Mi表示未知节点M与信标节点i之间的最小跳数；

步骤三：最后，我们提出反距离加权精度校正方法，对参与定位的信标节点进行加权计算，并根据公式(4)计算出信标节点的加权值，然后利用公式(5)从整体角度考虑，计算出未知节点的平均跳距，其计算公式为：

其中，W_i为信标节点i的平均跳距加权值，其计算公式为；

其中，C_M为未知节点M的平均跳距。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中未知节点定位的方法与系统，其特征在于，步骤三所述的未知节点位置坐标计算包括以下步骤：

步骤一：对于满足多边测量法要求的节点，即以参与定位的信标节点为圆心，以信标节点到未知节点估算距离为半径，几何上形成多个圆交于一点的情况，采用多边测量法，计算未知节点的位置，其计算公式为：

其中，(x₀，y₀)表示未知节点M的坐标，(x_i，y_i)(i＝1，2，...，N)表示信标节点i的坐标，d_Mi表示未知节点M到信标节点i的估计距离。用公式(6)中的每一行依次去减最后一行，可以将公式(6)转化为公式(7)，其计算公式为：

公式(7)可以转化为矩阵形式AX＝b，其中A、X、b的计算公式分别为：

最后，通过最小二乘法求解该方程，节点分布情况一的未知节点位置坐标计算公式为：

X＝(A^TW_iA)^-1A^TW_ib (11)

步骤二：对于不满足多边测量法的节点，即以参与定位的信标节点为圆心，以信标节点到未知节点估算距离为半径，几何上形成多个圆交于一个范围的情况，采用质心定位算法，首先从N个信标节点中任意选取三个信标节点，计算未知节点的位置，其计算公式为：

根据公式(12)可以得到6个交点的坐标，对这6个交点坐标取平均值，即可得到此次使用质心定位算法计算得到的未知节点位置坐标，其计算公式为：

其中，(a₁，b₁)表示此次使用质心定位算法计算得到的未知节点位置坐标，表示交点坐标。对于N个信标节点，采用质心定位算法，可以得到节点分布情况二的知节点位置坐标，其计算公式为：

步骤三，根据以上两种方法求取的结果，最终得到未知节点M的位置坐标(x_M，y_M)的计算公式为：