專利名稱：基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維自定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲通信與水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及水下通信、水下節(jié)點定位、水下網(wǎng)絡(luò)三個領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維自定位方法。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一，對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，節(jié)點的位置信息非常重要，它可用于標(biāo)識監(jiān)測數(shù)據(jù)源的位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、基于?jié)點位置的路由協(xié)議和基于地理位置的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等。它是當(dāng)前海洋開發(fā)與海洋技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代海洋高技術(shù)的不斷引入和支持下，水下定位技術(shù)在海底環(huán)境探測、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)、海洋科學(xué)發(fā)展以及國家海洋權(quán)益的維護等多方面都將發(fā)揮極其重要的作用。自定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項重要技術(shù)，到目前為止，針對自定位問題人們提出了很多算法。根據(jù)定位算法是否需要使用鄰居節(jié)點之間的測距信息，定位算法大致可以分為兩類基于測距(Range-based)的定位算法和免測距(Range-free)的定位算法?；跍y距的定位算法很多，代表性的算法有三邊測量法、三角測量法、極大似然定位法、AHLos算法、Generic Localized Algorithm算法、MDS-Map算法等。三邊測量法、 三角測量法和極大似然定位法通過測量與多個鄰居錨節(jié)點(即位置信息已知的節(jié)點)的距離或角度信息得到未知節(jié)點自身坐標(biāo)。使用這三種方法運算量不大，定位精度也較高但所需錨節(jié)點數(shù)較大。在錨節(jié)點稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，AHLos算法、GenericLocalized Algorithm算法將定位后的未知節(jié)點升級為準(zhǔn)錨節(jié)點，完成多跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)結(jié)點自定位。這兩種算法解決了錨節(jié)點較稀疏時的問題，但由于對多跳未知節(jié)點的準(zhǔn)錨節(jié)點升級使得測距誤差與定位誤差累積，導(dǎo)致結(jié)點自定位精度不高，尤其是在錨節(jié)點很少網(wǎng)絡(luò)直徑較大的網(wǎng)絡(luò)中。MDS-Map算法通過從全局角度生成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的距離矩陣，根據(jù)距離矩陣給出的節(jié)點間的連通信息如鄰居節(jié)點的測量距離，通過最短路徑法粗略地估計未知結(jié)點到錨節(jié)點之間的距離，進而完成網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位。為獲取網(wǎng)絡(luò)距離矩陣，該算法存在通信量大的問題，基于距離估計值計算結(jié)點定位信息，將導(dǎo)致低的定位精度。非測距網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位方法，利用平均單跳距離、未知結(jié)點到錨節(jié)點的平均跳數(shù)等信息以及質(zhì)心理論，采用一定的距離估計方法估計未知結(jié)點到錨節(jié)點之間的距離，進而完成結(jié)點自定位。一般而言，非測距網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位方法獲得的定位精度要低于基于測距的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位方法。水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，GPS無線電信號在水下衰減很快，必須通過其他復(fù)雜手段才能獲得水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的絕對位置信息，因此錨節(jié)點數(shù)量不宜過多。為此，如何在錨節(jié)點很少的情況下，以低的開銷完成每個結(jié)點的精確自定位是水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位研究的關(guān)鍵。基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位方法無法直接用于水下無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的三維自定位。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維自定位方法，針對水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點密度小、帶寬與能耗有限等特點，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的定位精度低問題。技術(shù)方案 一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維自定位方法，其特征在于水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)由錨結(jié)點和若干普通結(jié)點組成，利用低速率傳輸LM實現(xiàn)無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的精確測距，利用高速率傳輸HM實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的其他信息傳輸；所述錨結(jié)點是能夠得到其絕對位置信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，或無法獲得其絕對位置信息但可以作為網(wǎng)絡(luò)其他結(jié)點定位參考的結(jié)點；所述普通結(jié)點為通過其與錨結(jié)點進行通信得到距離信息進而完成自定位的待定位結(jié)點；具體步驟如下步驟I :錨結(jié)點NI采用LM模式在h時刻發(fā)送hello分組；所述hello分組內(nèi)包括該分組的類型、發(fā)送該hello分組的結(jié)點的ID、發(fā)送該hello分組的結(jié)點的類型、發(fā)送該 hello分組的時刻等信息；步驟2 :在\時刻普通結(jié)點i收到該hello分組，i表示普通結(jié)點的ID, i = 1,2, 3——η-I ;依據(jù)Di,N1 = Tproc · Vs計算該普通結(jié)點i與錨結(jié)點之間的距離，其中TpM。表示聲信號在水聲信道中的傳播時延TPM。= (t-O，Vs表示聲波在水中的傳播速度；；步驟3 :普通結(jié)點i依據(jù)其結(jié)點ID的次序，采用LM模式依次發(fā)送其產(chǎn)生的hello 分組，每個結(jié)點廣播hello分組的時刻分別為t' i ；步驟4 :錨結(jié)點NI收到來自任意普通結(jié)點i的hello分組的時刻為C N1, i，任意普通結(jié)點i收到來自任意普通結(jié)點j的hello分組的時刻為t' i,」，其中j ^ i, j = 1,2, 3——n-1 :依據(jù)Dni,」=(t' N1, j_t' i) · Vs計算錨結(jié)點NI到任意普通結(jié)點j之間的距離； 依據(jù)Di,」=(t'i) · Vs計算任意普通結(jié)點i到j(luò)的距離；步驟5 :由步驟4得到的錨結(jié)點NI到任意普通結(jié)點之間的距離，按照 DmJ =Hiax(Z)jvu,Dm2,Djvu,，選取距離錨結(jié)點NI最遠(yuǎn)的普通結(jié)點作為第二個參考結(jié)點N2，即N2 = j* ；N1將獲得的全部測距信息(Dnui, Dn1j2, Dn1j3, , Dni,J以HM模式發(fā)給N2 ；步驟6 N2依據(jù)本地測距信息{DN2,1; Dn2j2, Dn2j3, , DN2, n_J及由步驟5中收到來自錨結(jié)點 NI 的測距信息{DN1,1; Dn1j2, Dn1j3, , Dni, n_J，按照 Dm,r +DN2,r = max{DNll + Dn21,
1,2 +DjV22, Dn13 Dn23^..nl + DNi,n-\)，選擇距離NI與N2之和最大的結(jié)點作為第三個參考結(jié)點N3，即N3 = j**,N2將NI和N2的全部測距信息(Dn1YDni^Dni, 3，· · · ·，Dn1 _ n_!}、{Dn2j 11 DN2,2，Dn2,3，■■■■■> Dn2, n-1 }以HM模式發(fā)給N3 ；步驟7 N3 依據(jù)本地測距信息{DN3,1; Dn3j2, Dn3j3, , DN3, n_J 及由步驟6中收到來自結(jié)點N2的關(guān)于NI、N2的測距信息{D^，Dn1j2, Dn1j3, , Dni , Ii-I^ 和(Dn2i1, DN2，2，DN2，3，· · · ·，DN2，n—J，按照+^V2，/** +^iV3，/**
七Dmi七DmvDm2七Dm2七Dm2,DN2、3~\~Dm、3”…，Dm--)，選擇距尚N1、N2與N3之和最大的結(jié)點作為第四個參考結(jié)點N4,即N4 = j***，N3將自身的IDj**、第四個參考結(jié)點N4的IDj_及N2到N3間的距離Dn2, N2到N4間的距離Dffi,N4、N3到N4間的距離DN3, N4以LM模式發(fā)給錨結(jié)點NI ；步驟8 :依據(jù)步驟5、6和7得到的三個參考結(jié)點N2、N3和N4，錨結(jié)點NI建立以錨結(jié)點NI為原點的坐標(biāo)系以NI為原點，NI與N2的連線作為X軸，N2的坐標(biāo)為(DN1,N2，0，O)，Y 軸定義為以沿X軸逆時針旋轉(zhuǎn)90度所得的方向線，Z軸為垂直于XY平面的方向線，在以此
坐標(biāo)系下利用 Dni，N2、Dni，N3、^ni，N4、^N2，N3、 DN2,N4 與 DN3,N4 計算 N3 與 N4 的坐標(biāo)(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4),
其中
權(quán)利要求
1.一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維自定位方法，其特征在于水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)由錨結(jié)點和若干普通結(jié)點組成，利用低速率傳輸LM實現(xiàn)無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的精確測距，利用高速率傳輸HM實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的其他信息傳輸；所述錨結(jié)點是能夠得到其絕對位置信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，或無法獲得其絕對位置信息但可以作為網(wǎng)絡(luò)其他結(jié)點定位參考的結(jié)點；所述普通結(jié)點為通過其與錨結(jié)點進行通信得到距離信息進而完成自定位的待定位結(jié)點；具體步驟如下步驟1 :錨結(jié)點NI采用LM模式在％時刻發(fā)送hello分組；所述hello分組內(nèi)包括該分組的類型、發(fā)送該hello分組的結(jié)點的ID、發(fā)送該hello分組的結(jié)點的類型、發(fā)送該hello 分組的時刻等信息；步驟2 :在t時刻普通結(jié)點i收到該hello分組，i表示普通結(jié)點的ID，i = 1,2, 3——η-I ;依據(jù)Di,N1 = Tproc · Vs計算該普通結(jié)點i與錨結(jié)點之間的距離，其中TpM。表示聲信號在水聲信道中的傳播時延TPM。= (t-O，Vs表示聲波在水中的傳播速度；；步驟3 :普通結(jié)點i依據(jù)其結(jié)點ID的次序，采用LM模式依次發(fā)送其產(chǎn)生的hello分組， 每個結(jié)點廣播hello分組的時刻分別為t' i ;步驟4 :錨結(jié)點NI收到來自任意普通結(jié)點i的hello分組的時刻為t' Nui，任意普通結(jié)點i收到來自任意普通結(jié)點j的hello分組的時刻為t' i,其中j ^ i, j = 1,2, 3——n-1 :依據(jù)Dni,」=(t' N1, j_t' i) · Vs計算錨結(jié)點NI到任意普通結(jié)點j之間的距離； 依據(jù)Di,」=(t'i) · Vs計算任意普通結(jié)點i到j(luò)的距離；步驟5 :由步驟4得到的錨結(jié)點NI到任意普通結(jié)點之間的距離，按照 DmJ =Hiax(Z)jvu,Dm2,Djvu,，選取距離錨結(jié)點NI最遠(yuǎn)的普通結(jié)點作為第二個參考結(jié)點N2，即N2 = j* ；N1將獲得的全部測距信息(Dnui, Dn1j2, Dn1j3, , Dni,J以HM模式發(fā)給N2 ；步驟6 N2依據(jù)本地測距信息{DN2,1; Dn2j2, Dn2j3, , DN2, n_J及由步驟5中收到來自錨結(jié)點 NI 的測距信息{DNia，Dn1j2, Dni,3，, Dni, n_J，按照 Dm,r +DN2,r = max(Z)a,j j + DN2 l,Dni 2 + Dn2^2, Dn13 + Dn2 3,....,Dni n l + Dn2 n l}，選擇距尚 NI 與 N2 之和最大的結(jié)點作為第三個參考結(jié)點N3，即N3 = j**,N2將NI和N2的全部測距信息(Dn1YDni^Dni, 3，· · · ·，DNljn_J、{DN2j1,Dn2，2，DN2，3，· · · ·，Dn2, n-! }以HM模式發(fā)給N3 ；步驟7 N3依據(jù)本地測距信息{Fm，Dn3j2, Dn3j3, , Dn3j n_J及由步驟6中收到來自結(jié)點N2的關(guān)于NI、N2的測距信息(Dnui, Dn1j2, Dn1j3, , Dni, η-ι^ 和(Dn2i1, Dn2,2，Dn2j3 · · · ·，Dn2j n_!}，按照 Dmj- + Dn2'.廣 + rmxI^Vl1I +^N2,i+^N2,2 +^3,2 ^Ni,3 +^2,3 + ^3,35""5+ ^N2,n-i + ^N3,n-i} ' 選擇距尚N1、N2與N3之和最大的結(jié)點作為第四個參考結(jié)點N4,即N4 = j***，N3將自身的IDj**、第四個參考結(jié)點N4的IDj_及N2到N3間的距離Dn2, N2到N4間的距離Dffi,N4、N3到N4間的距離DN3, N4以LM模式發(fā)給錨結(jié)點NI ；步驟8 :依據(jù)步驟5、6和7得到的三個參考結(jié)點N2、N3和N4，錨結(jié)點NI建立以錨結(jié)點 NI為原點的坐標(biāo)系以NI為原點，NI與N2的連線作為X軸，N2的坐標(biāo)為(DN1,N2，0，O)，Y軸定義為以沿X軸逆時針旋轉(zhuǎn)90度所得的方向線，Z軸為垂直于XY平面的方向線，在以此坐標(biāo)系下利用 Dn1，N2、Dni，N3、Dni，N4、^Ν2, Ν3λ ^n2, ν4 與DN3，m計算Ν3與N4的坐標(biāo)(x3，y3，z3)和(x4，
全文摘要
本發(fā)明提出的一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點三維自定位方法，其具有以下優(yōu)點1.適用于錨節(jié)點稀疏的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位，大大提高了水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點定位精度。本發(fā)明采用低速率模式完成測距，可以大大提高單跳覆蓋范圍，避免現(xiàn)有單速率無線多跳網(wǎng)絡(luò)中存在多跳測距帶來的累積測距誤差與大的開銷，獲得高的無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點自定位精度。2.有效降低結(jié)點定位帶來的能耗與開銷?；陔p速率的傳輸模式保證無線多跳網(wǎng)絡(luò)的低能耗，算法簡單有效，大大降低定位過程中產(chǎn)生的控制分組的信息量。
文檔編號H04W64/00GK102612140SQ201210086938
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者李保軍, 李雪, 王海燕, 申曉紅, 白衛(wèi)崗, 趙瑞琴, 高婧潔 申請人:西北工業(yè)大學(xué)