一種基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法。該定位方法采用跳數(shù)量化的方法建立更小誤差的坐標(biāo)系統(tǒng)。該方法充分利用測(cè)量距離信息，將傳感節(jié)點(diǎn)的通信半徑長(zhǎng)度量化為多跳?；谫|(zhì)點(diǎn)彈簧模型，本發(fā)明也提供一種自適應(yīng)質(zhì)點(diǎn)彈簧優(yōu)化(AMSO)方法。AMSO采用自適應(yīng)的方法調(diào)整中心節(jié)點(diǎn)以及它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的位置。然后，該定位方法采用AMSO優(yōu)化傳感節(jié)點(diǎn)的位置，防止傳感節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在迭代優(yōu)化時(shí)陷入局部最優(yōu)。本發(fā)明的定位方法具有定位精度高，健壯性強(qiáng)，收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如何快速準(zhǔn)確地對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位是近年來(lái)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。在諸多的應(yīng)用中，傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起了重要的作用，因?yàn)闆](méi)有位置信息的感知數(shù)據(jù)是沒(méi)有實(shí)際意義的。目前大部分無(wú)線節(jié)點(diǎn)定位方法屬于基于錨點(diǎn)的定位方法，對(duì)無(wú)錨點(diǎn)的定位方法研究較少。由于在某些特殊場(chǎng)合中，傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息都是無(wú)法事先獲取，因此在這種情況下，無(wú)錨點(diǎn)定位方法就顯得十分重要。
[0003]無(wú)錨點(diǎn)定位方法主要分為集中式定位方法和分布式定位方法。集中式定位方法是將所需信息傳送到指定的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠從全局角度統(tǒng)籌規(guī)劃，其缺點(diǎn)在于離中心節(jié)點(diǎn)較近的傳感節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷大，容易導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷與中心節(jié)點(diǎn)的信息交流，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位。分布式定位方法是僅需要傳感節(jié)點(diǎn)間的信息交換和協(xié)調(diào)，由傳感節(jié)點(diǎn)自行計(jì)算自身位置。分布式方法的優(yōu)點(diǎn)是容錯(cuò)能力強(qiáng)，健壯性和拓展性好，對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力較好。因此，研究分布式的無(wú)錨點(diǎn)定位方法更有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]已經(jīng)提出的無(wú)錨點(diǎn)定位(AFL)方法是一種基于測(cè)距技術(shù)的分布式定位方法。基于測(cè)距技術(shù)的定位相對(duì)于無(wú)測(cè)距技術(shù)的定位具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是AFL方法在建立坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)將相鄰的兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的距離信息都視為一跳，沒(méi)有充分利用距離信息去計(jì)算傳感節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，存在定位誤差大的問(wèn)題。盡管AFL采用的質(zhì)點(diǎn)彈簧優(yōu)化方法能夠使節(jié)處于較好的位置，但是簡(jiǎn)單的質(zhì)點(diǎn)彈簧優(yōu)化方法在迭代過(guò)程中存在傳感節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)容易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服已有定位方法存在的不足之處，提供一種基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，本發(fā)明不僅有效地解決AFL方法存在的問(wèn)題，而且在提高定位方法的收斂速度和健壯性同時(shí)，提高了定位精度。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的方法具體步驟如下:
[0007]步驟1:傳感節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)測(cè)距方式獲得距離信息，并建立鄰居節(jié)點(diǎn)圖；
[0008]步驟2:通過(guò)最短路徑的方法獲得任意兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間的最短路徑，然后選取M個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)；
[0009]步驟3:采用跳數(shù)量化的方法將傳感節(jié)點(diǎn)的通信半徑長(zhǎng)度量化為多跳；
[0010]步驟4:通過(guò)最短路徑的信息計(jì)算任意兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間的最短路徑跳數(shù)，并通過(guò)極坐標(biāo)公式計(jì)算所有未知傳感節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0011]步驟5:采用自適應(yīng)質(zhì)點(diǎn)彈簧優(yōu)化AMSO方法迭代優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感節(jié)點(diǎn)的位置，方法直到滿足迭代終止條件時(shí)停止。[0012]進(jìn)一步:在上述定位方法中，所述步驟I中測(cè)距方式是采用接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI指示、到達(dá)時(shí)間差TD0A、到達(dá)時(shí)間TOA或到達(dá)角度AOA的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。
[0013]所述步驟2中最短路徑的方法采用弗洛伊德算法(弗洛伊德算法又稱Floyd算法，是一種用于尋找給定的加權(quán)圖中頂點(diǎn)間最短路徑的算法)計(jì)算任意兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，通過(guò)最短路徑的信息選取M個(gè)參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，并計(jì)算出M個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0014]所述步驟3中基于跳數(shù)量化的方法，是將通信半徑R平均劃分為β段，每段長(zhǎng)度為R/ β，傳感節(jié)點(diǎn)Iii到傳感節(jié)點(diǎn)r^_的最短路徑跳數(shù)Hi, j和最短路徑距離Di, j根據(jù)如下公式
計(jì)算:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:傳感節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)測(cè)距方式獲得距離信息，并建立鄰居節(jié)點(diǎn)圖； 步驟2:通過(guò)最短路徑的方法獲得任意兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間的最短路徑，然后選取M個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)； 步驟3:采用跳數(shù)量化的方法將傳感節(jié)點(diǎn)的通信半徑長(zhǎng)度量化為多跳； 步驟4:通過(guò)最短路徑的信息計(jì)算任意兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間的最短路徑跳數(shù)，并通過(guò)極坐標(biāo)公式計(jì)算所有未知傳感節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)； 步驟5:采用自適應(yīng)質(zhì)點(diǎn)彈簧優(yōu)化AMSO方法迭代優(yōu)化傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感節(jié)點(diǎn)的位置，方法直到滿足迭代終止條件時(shí)停止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟I中測(cè)距方式是采用接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI指示、到達(dá)時(shí)間差TD0A、到達(dá)時(shí)間TOA或到達(dá)角度AOA的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟2中最短路徑的方法采用弗洛伊德算法計(jì)算任意兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，通過(guò)最短路徑的信息選取M個(gè)參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，并計(jì)算出M個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于:所述步驟3中基于跳數(shù)量化的方法，是將通信半徑R平均劃分為β段，每段長(zhǎng)度為R/β，傳感節(jié)點(diǎn)Iii到傳感節(jié)點(diǎn)r^_的最短路徑跳數(shù)Hi, j和最短路徑距離Di, j根據(jù)如下公式計(jì)算:Η—= Y L..X —hJ Lu U η
j P υ = tL, 其中i = l，2，...，N;j = 1，2，...，N，i關(guān)j，N為傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)總數(shù)，Lij為相鄰的兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述M取值為5，即在步驟2中選取5個(gè)參考節(jié)點(diǎn)；則步驟4中未知傳感節(jié)點(diǎn)Iii通過(guò)如下極坐標(biāo)公式計(jì)算: ,I D,n D, Λ P =-(— + —)//5?
? // // ，
一 7/ 1.2 7 1 3,4
tan 其中Dy表示第一、第二兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)間的最短路徑距離，D3，4表示第三、第四兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)間的最短路徑距離，通過(guò)(P / -cose/，Pi' -sine/ )能夠得到未知傳感節(jié)點(diǎn)Hi的估計(jì)坐標(biāo)，然后使用參數(shù)λ對(duì)5個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行縮放調(diào)整，參數(shù)λ定義為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟5中AMSO方法步驟如下:假設(shè)任意一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)為局部網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，正向傳播階段，中心節(jié)點(diǎn)將位置信息發(fā)送到鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信息計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)與中心點(diǎn)之間的距離誤差，若存在距離誤差，則調(diào)整鄰居節(jié)點(diǎn)的位置；反向傳播階段，若調(diào)整后的鄰居節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)之間的距離誤差不為零，則將鄰居節(jié)點(diǎn)位置信息發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)，此時(shí)中心節(jié)點(diǎn)將根據(jù)距離誤差矢量和來(lái)調(diào)整自身位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，AMSO方法的正向傳播階段，鄰居節(jié)點(diǎn)Iij的更新步長(zhǎng)通過(guò)如下公式計(jì)算:
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，AMSO方法的反向傳播階段，中心節(jié)點(diǎn)Iii的更新步長(zhǎng)通過(guò)如下公式計(jì)算:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于跳數(shù)量化和質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的無(wú)錨點(diǎn)定位方法，其特征在于，所述步驟5中AMSO方法迭代終止條件是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，為保證所有傳感節(jié)點(diǎn)的更新速度一致，每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一次AMSO方法之后，下一次的AMSO方法執(zhí)行時(shí)間是在所有鄰居傳感節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行了一次AMSO方法。
【文檔編號(hào)】H04W40/24GK103945490SQ201410201805
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】黃以華, 趙汝威 申請(qǐng)人:廣東順德中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國(guó)際聯(lián)合研究院, 中山大學(xué)