專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位方法，尤其涉及基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)定位方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是近年來得到迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)代無線通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地融合為一體，在國防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化、傳輸和其他許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和極高的應(yīng)用價(jià)值。靜態(tài)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是將大量位置不隨時(shí)間變化的傳感器節(jié)點(diǎn)分布到監(jiān)測(cè)區(qū)域， 并將節(jié)點(diǎn)收集的有效信息傳送回來進(jìn)行工作的，而有效信息中節(jié)點(diǎn)位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息中不可缺少的部分。因此，確定獲取有效信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起關(guān)鍵作用。例如，在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中需要知道采集環(huán)境信息對(duì)應(yīng)具體區(qū)域；對(duì)于火災(zāi)等突發(fā)事件，需要知道火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)位置；化工管道泄漏的具體地點(diǎn)等。在這些應(yīng)用中，只有傳感器節(jié)點(diǎn)知道自身的地理位置，才能進(jìn)一步采取相應(yīng)措施。在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)存在著能量有限、可靠性差、節(jié)點(diǎn)規(guī)模大且隨機(jī)布放、無線模塊的通信距離有限等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的定位技術(shù)無法很好的適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。全球定位系統(tǒng)(GlcAal Position System，簡(jiǎn)稱GPS)成本和能耗高，限制了它在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。因而，在WSN中GPS等設(shè)備只能應(yīng)用在個(gè)別節(jié)點(diǎn)上以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，而大部分傳感器節(jié)點(diǎn)仍然需要通過定位算法對(duì)自身的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位問題可以描述為在一個(gè)存在多個(gè)已知自身位置節(jié)點(diǎn)的多跳網(wǎng)絡(luò)中，通過定位系統(tǒng)、禾Ij用可用的信息找到待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置?，F(xiàn)有的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)定位算法主要有Range-Based算法和Range-Free兩種前者是利用RSSI、Τ0Α, TDOA, AOA等測(cè)距信息定位，具體算法如R0CRSSI等；后者是利用網(wǎng)絡(luò)的連通度定位，如質(zhì)心算法等。然而，現(xiàn)有的定位算法大多存在以下問題(1)定位精度低；(2)計(jì)算開銷大；(3)需要額外的硬件支持，如天線陣列；(4)需要先驗(yàn)的部署知識(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有定位方法的缺點(diǎn)與不足，而提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法。本發(fā)明所述的定位方法中，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)可通過信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量距離的傳感器節(jié)點(diǎn)、可收集全部節(jié)點(diǎn)信息并計(jì)算的網(wǎng)關(guān)；
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應(yīng)用于上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法為采用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的方法，結(jié)合粒子束優(yōu)化理論和支持向量機(jī)理論，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。具體過程為步驟一初始化階段；在此階段中，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的二維空間
XW，D]中各方向做M等分，并建立支持向量機(jī)的高斯核函數(shù)
權(quán)利要求
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，其特征在于所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括N個(gè)可通過信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量距離的傳感器節(jié)點(diǎn){S1;S2，- ,SJ , 可收集全部節(jié)點(diǎn)信息并計(jì)算的網(wǎng)關(guān)；應(yīng)用于上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法為采用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的方法，結(jié)合粒子束優(yōu)化理論和支持向量機(jī)理論，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，其特征在于該方法的具體過程為步驟一初始化階段；在此階段中，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的二維空間
XW，D]中各方向做M等分，并建立支持向量機(jī)的高斯核函數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，其特征在于步驟一中，網(wǎng)絡(luò)將二維空間
X
中各方向做M等分，是指將二維空間
XW，D]中χ方向和y方向分別分成M等份，在χ方向上為{ ^c^，-,cxM}； 在 y 方向上為 Icy1, cy2, ···, cyM}；此時(shí)，步驟二中所述的支持向量機(jī)粗定位過程中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為支持向量機(jī)在χ方向的訓(xùn)練特征向量為([(!(Si, S1), (!(Si, S2), ···, (!(Si, SK) J , cxj ；在y方向的訓(xùn)練特征向量為{[d(Si7 S1), d(Si; S2), ..., d(Si; SK) J , cyj ,K表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，i = 1,2,…，K，(!(Si, S1)為第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)Si與第1個(gè)錨節(jié)點(diǎn)S1間的距離，以此類推；將上述訓(xùn)練特征向量帶入公式( 計(jì)算獲得每個(gè)方向上支持向量機(jī)的支持向量Xi、拉格朗日因子α ^和分類門限值b*。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，其特征在于步驟二中，估計(jì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離，并將該距離和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)信息傳到網(wǎng)關(guān)，并在網(wǎng)關(guān)中生成測(cè)試數(shù)據(jù)向量的過程為待測(cè)節(jié)點(diǎn)&與每一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離向量為[(!(S1, S1), (!(S1, S2),…，(!(S1, &)]，其中= Κ+1，Κ+2，...，Ν)， 向量中若兩節(jié)點(diǎn)間距離大于R，則其距離數(shù)值記為2R，并將此距離對(duì)應(yīng)的待測(cè)節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的距離向量記為支持向量機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)向量，所述R為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的通信距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，其特征在于步驟二中，通過支持向量機(jī)分類判斷得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)的初步位置的過程為；將待測(cè)節(jié)點(diǎn)&對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)向量代入公式，計(jì)算得到所述待測(cè)節(jié)點(diǎn)&在χ和y方向上的分類[cXi，(^_]，該待測(cè)節(jié)點(diǎn)&在區(qū)域單元[^^，€^^^，€]中，則該JL M M \ [_ M M J待測(cè)節(jié)點(diǎn)&的估計(jì)位置為(χ。，y。)，其中其誤差最大值為，所述估計(jì)位置為初步位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，其特征在于步驟三三中，更新粒子束中的每個(gè)粒子的速度和位置信息的方法為 采用公式< ( +1) = (0 + C1^1 {t){pbestix( +1)-χιχ(0) + C2r2(t)(gbestx(t + \)-xa(t)) '^iy(i +1) = ωνιγ(t) + C1F1 (t)(pbestiy(t + \)-xiy(0) + c2r2(t)(gbesty(t + \)-xiy(t)) (6)更新第i個(gè)粒子Pbesti的速度，其中vix(t)和viy(t)分別表示t時(shí)刻、第i個(gè)粒子在χ方向和y方向的速度，gbestx(t+l)表示t+Ι時(shí)刻、待測(cè)節(jié)點(diǎn)χ方向的初始位置信息， gbesty(t+l)表示t+Ι時(shí)刻、待測(cè)節(jié)點(diǎn)y方向的初始位置信息，xix(t)和xiy(t)分別表示t 時(shí)刻第i個(gè)粒子在Χ方向和y方向的位置，ω為慣性加權(quán)系數(shù)，ω =0.7, C1, C2為常數(shù)，C2 = C1 = 1.494, T1 (t),r2(t)為
范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；采用公式\xiy(t + l) = xiy(t) + viy(t + l)( )更新第i個(gè)粒子Pbesti的位置。
全文摘要
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法，涉及一種應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有定位方法中存在的定位精度低、計(jì)算開銷大、需要硬件支持的缺點(diǎn)。本發(fā)明所基于的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)可通過信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量距離的傳感器節(jié)點(diǎn)、可收集全部節(jié)點(diǎn)信息并計(jì)算的網(wǎng)關(guān)；應(yīng)用于上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于粒子束優(yōu)化的支持向量機(jī)的定位方法為采用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的方法，結(jié)合粒子束優(yōu)化理論和支持向量機(jī)理論，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。本發(fā)明利用粒子束優(yōu)化和支持向量機(jī)的方法提高傳感器節(jié)點(diǎn)自身的定位精度，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在噪聲干擾時(shí)，仍能得到良好的定位效果。本發(fā)明適用于基于各種應(yīng)用的集中式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102231910SQ201110173438
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者唐弢, 李德志, 李松, 楊明川, 王振邦, 石碩, 郭慶 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)