一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，包括以下步驟：（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署；（2）確定未知節(jié)點相距錨節(jié)點的最短距離；（3）獲得未知節(jié)點相對錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)；（4）計算未知節(jié)點距錨節(jié)點的估計距離。本發(fā)明在距離估計的過程中，通過使用錨節(jié)點功率控制技術(shù)、鄰居節(jié)點的分布信息以及未知節(jié)點預(yù)先存儲的仿真數(shù)據(jù)，從而有效地減少了未知節(jié)點到錨節(jié)點的估計距離的誤差，并且由于錨節(jié)點功率控制技術(shù)的引入，本發(fā)明在各向異性的網(wǎng)絡(luò)中，依舊保持良好的距離估計精度。
【專利說明】一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法中的距離估計方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往是隨機(jī)部署的，所以節(jié)點無法確定自身的位置，但對于如災(zāi)情報警、環(huán)境監(jiān)控、軍情探測等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，節(jié)點位置信息至關(guān)重要。一個傳感器監(jiān)測消息如果失去位置信息通常是毫無意義的，因此必須通過一定的算法來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自定位。(J.Yick, B.Mukherjee, D.Ghosal.Wirelesssensor network survey[J].Computer Networks, 2008:2292-2330)
[0003]通常情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法分為兩類:基于距離的(Range-based)和距離無關(guān)的(Range-free)?；诰嚯x的定位算法使用到達(dá)時間差或到達(dá)角度等方法測量點到點之間的距離；而距離無關(guān)的定位算法只利用跳數(shù)或網(wǎng)絡(luò)連通度等信息來得到近似的位置信息，因此它與前者相比在成本和能耗方面具有顯著優(yōu)勢。
[0004]在眾多經(jīng)典的距離無關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法中，有一類算法的中心思想是:未知節(jié)點首先估計自身到多個錨節(jié)點的距離，然后通過極大似然估計法或三邊測量法等方法計算自身坐標(biāo)，這一類算法的代表有DV-Hop算法、Amorphous算法等。該類算法的關(guān)鍵問題是如何精確地估計未知節(jié)點到錨節(jié)點之間的距離，距離估計的精度極大地影響了一個算法的定位精度。
[0005]目前針對距離估計精度的優(yōu)化主要包括賦予距離不同的錨節(jié)點不同的權(quán)值、采用最小均方誤差準(zhǔn)則、引入RSSI (Received Signal Strength Indication,接收信號強(qiáng)度指不)技術(shù)等° (1、D.Niculescu, B.Nath.DV based positioning in ad hoc networks [J].Journal of Telecommunication Systems, 2003, 22(14)，pp.267-280.2、劉峰，張翰，楊驥.一種基于加權(quán)處理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平均跳距離估計算法[J].電子信息學(xué)報，2008，30(5): 1222-1225.3、張愛清，葉新榮，胡海峰，等.基于RSSI每跳分級和跳距修正的DV-HOP改進(jìn)算法[J].儀器儀表學(xué)報，2012，33(11):2552-2559.)。但是由于各項異性網(wǎng)絡(luò)的特點，上述技術(shù)在各向異性的網(wǎng)絡(luò)中會造成距離估計精度不高，估計距離存在誤差的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位提供一種高精度距離估計方法，通過錨節(jié)點功率控制技術(shù)和鄰居節(jié)點的分布信息的使用，使得未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離估計的精度提高，并且在各向異性的網(wǎng)絡(luò)中，依舊能保持良好的距離估計精度。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，包含以下步驟:
[0009]第一步，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點，所述傳感器節(jié)點包括錨節(jié)點和未知節(jié)點；
[0010]第二步，由錨節(jié)點依次發(fā)射不同功率等級的信標(biāo)信號，所述信標(biāo)信號中包含該錨節(jié)點的身份標(biāo)識號ID、位置信息以及發(fā)射的功率等級；未知節(jié)點根據(jù)接收的錨節(jié)點信標(biāo)信號中的功率等級計算其相距該錨節(jié)點的最短距離:
[0011]MinDis=rX (P-1)(I)
[0012]其中，r為未知節(jié)點的通信半徑，P為未知節(jié)點接收的錨節(jié)點信標(biāo)信號中的功率等級，P=I, 2...η, η為最大功率等級；各功率等級所對應(yīng)的通信半徑為rXP ;
[0013]第三步，由未知節(jié)點計算其相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)，所述外環(huán)節(jié)點數(shù)是指該未知節(jié)點的鄰居節(jié)點中相對同一錨節(jié)點且功率等級+1的節(jié)點的個數(shù)；
[0014]第四步，未知節(jié)點根據(jù)第三步得到的外環(huán)節(jié)點數(shù)，以及預(yù)先儲存的外環(huán)節(jié)點數(shù)與相對距離關(guān)系對應(yīng)表得出相對距離，再將相對距離與第二步得到的最短距離相加計算出自身距錨節(jié)點的估計距離。
[0015]進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，在第二步中:未知節(jié)點只儲存來自不同錨節(jié)點的功率等級最小的信標(biāo)信號，根據(jù)該信標(biāo)信號中的功率等級計算其相距該錨節(jié)點的最短距離。
[0016]進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，所述第三步具體步驟如下:
[0017]相對錨節(jié)點的功率等級不為η的未知節(jié)點廣播一個包含錨節(jié)點ID和相應(yīng)功率等級P的請求消息給鄰居節(jié)點，收到該請求消息并且相對同一錨節(jié)點功率等級為Ρ+1的鄰居節(jié)點返回一個應(yīng)答消息，未知節(jié)點將收到的應(yīng)答消息數(shù)作為相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)；
[0018]相對錨節(jié)點的功率等級為η的未知節(jié)點廣播一個包含錨節(jié)點ID和功率等級Ρ=η的請求消息給鄰居節(jié)點，收到該未知節(jié)點請求消息的所有鄰居節(jié)點均需返回一個應(yīng)答消息，同時相對同一錨節(jié)點功率等級為η-1或η的鄰居節(jié)點需在應(yīng)答消息中包含自身的功率等級，最后未知節(jié)點將總應(yīng)答消息數(shù)與包含功率等級的應(yīng)答消息數(shù)的差值作為相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)。
[0019]進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，外環(huán)節(jié)點數(shù)與相對距離關(guān)系對應(yīng)表中的數(shù)據(jù)是根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署參數(shù)以及傳感器節(jié)點的配置參數(shù)，運(yùn)行500次MATLAB仿真實驗得到的平均值，每個傳感器節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署前儲存該關(guān)系對應(yīng)表。
[0020]進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署參數(shù)包括部署區(qū)域范圍，傳感器節(jié)點的數(shù)量，以及錨節(jié)點的密度；所述傳感器節(jié)點的配置參數(shù)包括通信半徑、發(fā)射功率。
[0021]作為本發(fā)明的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法的優(yōu)選方案，所述功率等級P為I或2或3。
[0022]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
[0023](I)在距離估計的過程中，通過使用錨節(jié)點功率控制技術(shù)、鄰居節(jié)點的分布信息以及預(yù)先存儲的仿真數(shù)據(jù)獲得未知節(jié)點到錨節(jié)點的估計距離，從而有效減少了估計距離的誤差。
[0024](2)在各向異性的網(wǎng)絡(luò)中，克服了距離估計失真的缺點，依舊保持良好的距離估計精度。
[0025](3)可以應(yīng)用于距離無關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法，具有一定的成本和能耗優(yōu)勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是未知節(jié)點獲得到錨節(jié)點估計距離的算法流程圖。
[0027]圖2是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的示意圖。
[0028]圖3是未知節(jié)點確定其相距錨節(jié)點的最短距離和計算外環(huán)節(jié)點數(shù)的示意圖。【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0030]結(jié)合圖1，一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法的具體步驟如下:
[0031]第一步，選取一定范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，隨機(jī)部署了 N個傳感器節(jié)點，其中錨節(jié)點密度為D ;如圖2所示，在邊長為IOOm的正方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署100個傳感器節(jié)點，錨節(jié)點密度為10%，即10個錨節(jié)點，90個未知節(jié)點；未知節(jié)點的通信半徑配置為20m，錨節(jié)點具有發(fā)射功率控制的功能，其發(fā)射功率被預(yù)先劃分為1、2和3三個不同的功率等級，功率等級I對應(yīng)的通信半徑為20m，功率等級2對應(yīng)的通信半徑為40m，功率等級3對應(yīng)的通信半徑為60m。
[0032]第二步，未知節(jié)點根據(jù)接收的錨節(jié)點信標(biāo)信號計算其相距錨節(jié)點的最短距離；
[0033](I)每個錨節(jié)點依次廣播功率等級為1，2，3的信標(biāo)信號，信標(biāo)信號中包含錨節(jié)點的身份標(biāo)識號ID、位置信息以及發(fā)射的功率等級；
[0034](2)傳感器節(jié)點只儲存來自不同錨節(jié)點的功率等級最小的信標(biāo)信號，根據(jù)信標(biāo)信號中的功率等級計算其相距錨節(jié)點的最短距離。
[0035]設(shè)傳感器節(jié)點儲存的對應(yīng)錨節(jié)點A的功率等級為P，P的值為I或2或3，則該節(jié)點距離錨節(jié)點A的最短距離MinDis為:
[0036]MinDis=rX (P-1)(1)
[0037]如圖3所示，未知節(jié)點B和C存儲的對應(yīng)于錨節(jié)點A的功率等級P為2，則未知節(jié)點B和C相距錨節(jié)點A的最短距離為20m。
[0038]第三步,未知節(jié)點分以下兩種情況計算相對錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)，外環(huán)節(jié)點數(shù)是指未知節(jié)點的鄰居節(jié)點中位于下一個功率等級的節(jié)點的個數(shù)；
[0039]情況1:相對錨節(jié)點的功率等級為I或2的未知節(jié)點廣播一個包含錨節(jié)點ID和相應(yīng)功率等級P的請求消息給鄰居節(jié)點，收到該請求消息并且相對同一錨節(jié)點功率等級為P+1的鄰居節(jié)點返回一個應(yīng)答消息，未知節(jié)點將收到的應(yīng)答消息數(shù)作為相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)；
[0040]情況2:相對錨節(jié)點的功率等級為3的未知節(jié)點廣播一個包含錨節(jié)點ID和功率等級P=3的請求消息給鄰居節(jié)點，收到該未知節(jié)點請求消息的所有鄰居節(jié)點均需返回一個應(yīng)答消息，同時相對同一錨節(jié)點功率等級為2或3的鄰居節(jié)點需在應(yīng)答消息中包含自身的功率等級，最后未知節(jié)點將總應(yīng)答消息數(shù)與包含功率等級的應(yīng)答消息數(shù)的差作為相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)。[0041]結(jié)合圖3可知，未知節(jié)點B的鄰居節(jié)點中位于下一個功率等級的節(jié)點的個數(shù)為4，則未知節(jié)點B相對錨節(jié)點A的外環(huán)節(jié)點數(shù)為4，同理可得未知節(jié)點C相對錨節(jié)點A的外環(huán)節(jié)點數(shù)為2。
[0042]第四步，未知節(jié)點首先根據(jù)第三步得到的外環(huán)節(jié)點數(shù)以及預(yù)先儲存的外環(huán)節(jié)點數(shù)與相對距離關(guān)系對應(yīng)表得出相對距離，再將相對距離與第二步得到的最短距離相加計算出距錨節(jié)點的估計距離；關(guān)系對應(yīng)表中的數(shù)據(jù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的部署參數(shù)以及傳感器節(jié)點的配置參數(shù)，運(yùn)行500次MATLAB仿真實驗得到的平均值，每個傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)部署前儲存該關(guān)系對應(yīng)表。
[0043]一個關(guān)系對應(yīng)表的示例如表1所示，表1的網(wǎng)絡(luò)部署參數(shù)和節(jié)點配置參數(shù)為:IOOmX IOOm的正方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署100個傳感器節(jié)點，錨節(jié)點密度為10%，未知節(jié)點的通信半徑為20m。
[0044]表1外環(huán)節(jié)點數(shù)與相對距離關(guān)系對應(yīng)表
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，其特征在于包含以下步驟: 第一步，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點，所述傳感器節(jié)點包括錨節(jié)點和未知節(jié)點； 第二步，由錨節(jié)點依次發(fā)射不同功率等級的信標(biāo)信號，所述信標(biāo)信號中包含該錨節(jié)點的身份標(biāo)識號ID、位置信息以及發(fā)射的功率等級；未知節(jié)點根據(jù)接收的錨節(jié)點信標(biāo)信號中的功率等級計算其相距該錨節(jié)點的最短距離: MinDis=rX (P-1)(I) 其中，r為未知節(jié)點的通信半徑，P為未知節(jié)點接收的錨節(jié)點信標(biāo)信號中的功率等級，P=I, 2...η, η為最大功率等級；各功率等級所對應(yīng)的通信半徑為rXP ; 第三步，由未知節(jié)點計算其相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)，所述外環(huán)節(jié)點數(shù)是指該未知節(jié)點的鄰居節(jié)點中相對同一錨節(jié)點且功率等級+1的節(jié)點的個數(shù)； 第四步，未知節(jié)點根據(jù)第三步得到的外環(huán)節(jié)點數(shù)，以及預(yù)先儲存的外環(huán)節(jié)點數(shù)與相對距離關(guān)系對應(yīng)表得出相對距離，再將相對距離與第二步得到的最短距離相加計算出自身距錨節(jié)點的估計距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，其特征在于， 在第二步中:未知節(jié)點只儲存來自不同錨節(jié)點的功率等級最小的信標(biāo)信號，根據(jù)該信標(biāo)信號中的功率等級計算其相距該錨節(jié)點的最短距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，其特征在于，所述第三步具體步驟如下: 相對錨節(jié)點的功率等級不為η的未知節(jié)點廣播一個包含錨節(jié)點ID和相應(yīng)功率等級P的請求消息給鄰居節(jié)點，收到該請求消息并且相對同一錨節(jié)點功率等級為Ρ+1的鄰居節(jié)點返回一個應(yīng)答消息，未知節(jié)點將收到的應(yīng)答消息數(shù)作為相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)； 相對錨節(jié)點的功率等級為η的未知節(jié)點廣播一個包含錨節(jié)點ID和功率等級Ρ=η的請求消息給鄰居節(jié)點，收到該未知節(jié)點請求消息的所有鄰居節(jié)點均需返回一個應(yīng)答消息，同時相對同一錨節(jié)點功率等級為η-1或η的鄰居節(jié)點需在應(yīng)答消息中包含自身的功率等級，最后未知節(jié)點將總應(yīng)答消息數(shù)與包含功率等級的應(yīng)答消息數(shù)的差值作為相對該錨節(jié)點的外環(huán)節(jié)點數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，其特征在于，外環(huán)節(jié)點數(shù)與相對距離關(guān)系對應(yīng)表中的數(shù)據(jù)是根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署參數(shù)以及傳感器節(jié)點的配置參數(shù)，運(yùn)行500次MATLAB仿真實驗得到的平均值，每個傳感器節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署前儲存該關(guān)系對應(yīng)表。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署參數(shù)包括部署區(qū)域范圍，傳感器節(jié)點的數(shù)量，以及錨節(jié)點的密度；所述傳感器節(jié)點的配置參數(shù)包括通信半徑、發(fā)射功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中高精度距離估計方法，其特征在于，所述功率等級P為I或2或3。
【文檔編號】H04W84/18GK103607770SQ201310571838
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】史昕, 張玲華 申請人:南京郵電大學(xué)