野外环境无线传感网络中未知节点的定位方法
【专利摘要】本发明提供一种野外环境无线传感网络中未知节点的定位方法，包括（1）感知阶段：每个传感器节点通过无线信号发射功率的改变来确定节点初步的位置关系，判断邻居节点个数，为衡量节点间距离参数作好准备；（2）定位阶段：通过距离参数，首先计算出两两信标节点的平均单跳距离，然后根据每个节点与信标节点的距离参数，通过最小二乘法计算出未知节点的初步位置；（3）校正阶段：首先对所有未知节点进行边界节点的检测，通过边界节点的邻居数少的特点确定邻居节点，其次通过未知节点的位置信息来对信标节点的位置进行反定位，从而从误差的角度确定定位精度较高的节点和较差的节点，最后通过较好的节点来对精度较低的节点进行位置的校正。
【专利说明】野外环境无线传感网络中未知节点的定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线自组织网络系统【技术领域】，尤其是无线传感器节点定位的实现方法，尤其涉及一种基于部署在野外环境无线传感网络中未知节点定位的实现方法。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术，无线通信技术的高速发展，具有感知能力，处理能力和无线通信能力的微型传感器节点开始出现，并且引起了人们的广泛关注。这种传感器节点能够自组织成一个网络，通过相互协作的方式，把感知到的信息进行处理后，以无线的方式传递给远程终端，从而在远端实现对网络覆盖区域内的检测对象实现监控。无线传感器网络把信息世界和现实世界融合在一起，广泛应用于环境监测，医疗健康，工业控制，军事监控等领域，并且深深的改变了人与世界的交互方式。
[0003]传感器节点定位技术，是无线传感器网络中的一项基本技术。随着检测环境的日趋复杂，和无线传感器网络应用的多样化，在很多随机部署的网络应用场景中，对于准确，快速，可靠的传感器节点的定位方法变得日趋重要。
[0004]近年来，无线传感器节点的定位技术已经引起了科研人员的密切关注，一些学者展开了无线传感器网络定位问题的深入研究，并且在一系列IEEE会议(如Infocom，MASS,IO)CS等)，ACM的学术会议(如Sensys, Mobicom, Mobisys等)和期刊上发表了一些重要的研究成果。美国的诸多知名学府也对传感器网络的定位技术做了相应的研究，并且发表了相应的学术著作。中国也非常重视这方面的研究，都已经开始了该领域的探索和研究。但是这些研究尚处于起步阶段，距离实际需要还具有相当的差距。
[0005]在传统的无线传感器网络中的定位方法一般有两种:(I)基于距离的定位方法和
(2)与距离无关的定位方法。其中，基于距离的定位方法通过各种测距的方法测量出两个节点之间的绝对距离，从而对网络中的传感器节点进行定位。通常情况下，通过有效的测距技术可以得到较高的定位精度，但是这些方法通常具有较高的硬件开销，并且采取复杂的纠正系统。此外，基于距离的测量方法通常极易受到环境因素的制约。例如常用的基于RSSI(无线信号强度)的测距方法对环境因素，特别是温湿度，障碍物的影响特别大。
[0006]与距离无关的定位方法主要基于网络的连通性。这种方法在某种程度上减少了硬件开销，因此定位准确性相对于基于距离的定位方法略低。但是在大规模部署的无线传感器网络中，主要采取的还是与距离无关的定位方法。在所有与距离无关的定位方法中，最经典的是发表在03年通信系统上的文章(“DV Based Positioning in Ad Hoc Networks”)，该文章基于平均一跳距离的定位方法(DV-Hop)。该工作通过信标节点之间的跳数和信标节点之间的距离来计算出平均每一跳的长度，然后通过未知节点到各信标节点的跳数信息计算出距离，从而通过最小二乘法等方法计算出实际未知节点的位置信息。虽然该方法能够用较小的硬件开销来计算出每一个未知节点的位置，但是由于实际部署环境的不同，计算得到的精度也将大不相同。
[0007]基于野外环境的无线传感器节点定位的实现方法的研究动机来自于绿野千传项目(部署在森林的无线传感器网络系统，致力于森林生态环境的监控，并且进行长期大规模传感器网络的系统)。改传感器网络主要采集森林中的各种信息，包括温湿度，光照，二氧化碳浓度等，从而进行育碧度的测算，小型气候变化的观测，热岛效应的研究，森林防灾隐患和搜救方面的研究。因此，传感器节点在森林中的定位显得尤为重要。在森林环境中，由于植被的不同造成了无线通信环境的复杂，障碍物导致了传统的基于距离的定位方法存在较大的误差，并且不再适用与复杂的野外环境。例如无线信号强度会因为障碍物而衰减，或者产生多径效应，无线信号传输的通信质量往往受到环境的制约，另外温湿度对无线通信也有间接的影响。因此，在野外森林中的无线传感器节点的定位面临着许多困难。
【发明内容】
[0008](一)要解决的技术问题
[0009]本发明的目的是，提供一种野外环境无线传感网络中未知节点定位的实现方法，从而实现定位未知节点的目的，进而提高整个无线传感网络的定位精度。
[0010](二)技术方案
[0011]为解决上述技术问题，本发明提供一种野外环境无线传感网络中未知节点的定位方法，所述无线传感网络包括信标节点以及与信标节点联通的未知节点，包括:
[0012]S101、对于所述无线传感网络中的每个传感器节点，通过逐渐增大无线传输功率的方式感应到所述每个传感器节点的邻居节点的个数，基于反馈的邻居节点收到信号的次序得到所述每个传感器节点与邻居节点的位置关系，并基于无线传感器网络中所有所述每个传感器节点与相应邻居节点的位置关系获得任意两个传感器节点之间的距离参数；
[0013]S102、对于所述无线传感网络中的任意两个信标节点，基于所述任意两个信标节点之间的距离参数估算出所述任意两个信标节点之间的实际物理距离；以及，对于所述无线传感网络中的每个未知节点及任意两个信标节点中的每个信标节点，根据所述每个未知节点与各信标节点之间的距离参数以及所述任意两个信标节点之间的实际物理距离，计算出所述每个未知节点在无线传感网络中的初步位置；
[0014]S103、对所述每个未知节点的初步位置进行纠正，得到所述每个未知节点在无线传感网络中的最终位置。
[0015]具体的,步骤S103中对所述每个未知节点的初步位置进行纠正包括:
[0016]S1031、对所述每个未知节点进行边界节点的检测，根据所述检测判断所述每个未知节点是否为边界节点；
[0017]S1032、在判定为边界节点的情况下，确定所述每个未知节点相对于相应信标节点的修正邻居节点个数，并基于所述修正邻居节点个数再次执行步骤102，得到所述每个未知节点的最终位置；
[0018]S1033、在判定不为边界节点的情况下，基于所述初步位置得到所述每个未知节点与相应信标节点的定位邻居序列，并与原邻居序列进行比较，计算两序列中共有的子序列在原邻居序列中的所占比例，并基于所占比例的大小判定所述每个未知节点是好节点还是坏节点；其中，所述原邻居序列为网络初始化时经SlOl步骤得到的邻居序列；
[0019]在判定所述每个未知节点是好节点的情况下，通过所述每个未知节点的初步位置信息来对相应信标节点的位置进行反定位，得到所述相应信标节点的定位误差，并基于所述定位误差判定所述好节点是否为定位精度较高的节点；通过精度较高的节点来对精度较差的节点进行校正，得到所述好节点的最终位置；
[0020]以及，在判定所述每个未知节点是坏节点的情况下，基于无线传感网络中原有的信标节点以及所述好节点的最终位置信息，再次对坏节点执行步骤102，得到所述坏节点的最终位置；
[0021]S1034、基于步骤S1032以及步骤S1033得到的最终位置，得到所述每个未知节点在无线传感网络中的最终位置。
[0022]具体的，所述步骤S1033中“通过所述每个未知节点的初步位置信息来对相应信标节点的位置进行反定位，得到所述相应信标节点的定位误差，并基于所述定位误差判定所述好节点是否为定位精度较高的节点，通过精度较高的节点来对精度较差的节点进行校正”包括: [0023]选取四个好节点，对所述四个好节点以及相应信标节点依次执行步骤S102及S1033，得到所述相应信标节点相对于四个好节点的定位误差；
[0024]判断所述定位误差是否小于第一阈值；若是，则判定所述四个好节点为精度较高的节点，并将所述四个好节点设置为新信标节点；若否，则判定所述四个好节点为精度较差的节点； [0025]基于所述新信标节点以及所述相应信标节点，再次对精度较差的节点执行步骤102，得到精度较差的节点的校正位置；
[0026]再选取其他四个好节点，重复执行上述定位精度高低的判断，直至所有好节点的定位精度被判定以及所有精度较差的节点被校正。
[0027]具体的，所述S1031包括:
[0028]计算所述每个未知节点的边界权重Pi,并判断所述边界权重Pi是否小于权重阈值；
[0029]若是，则判定相对应的未知节点为边界节点；
[0030]若否，则判定相对应的未知节点为非边界节点。
[0031]优选的,所述定位方法,通过下述公式计算修正邻居数:VNC(i, j) = NC(j, i) Xpi,
[0032]其中，Pi代表了第i个未知节点的边界权重，VNC(i，j)和NC(i，j)的最大值作为节点i相对于节点j的修正邻居数。
[0033]优选的，任意两个传感器节点之间的距离参数通过以下公式计算:
[0034]JND (Xi, Xj) = NC (Xi, Xj) UNC (Xj, Xi)，
[0035]其中，NC (Xi, Xj)表示为节点Xj相对于Xi的邻居节点数，即当节点Xi的通信半径为刚好能够感知到邻居节点Xj时，所在通信半径内能够感知到的邻居节点数目。
[0036]具体的，两个信标节点之间的实际物理距离通过以下公式估算:
【权利要求】
1.一种野外环境无线传感网络中未知节点的定位方法，所述无线传感网络包括信标节点以及与信标节点联通的未知节点，其特征在于，包括: 5101、对于所述无线传感网络中的每个传感器节点，通过逐渐增大无线传输功率的方式感应到所述每个传感器节点的邻居节点的个数，基于反馈的邻居节点收到信号的次序得到所述每个传感器节点与邻居节点的位置关系，并基于无线传感器网络中所有所述每个传感器节点与相应邻居节点的位置关系获得任意两个传感器节点之间的距离参数； 5102、对于所述无线传感网络中的任意两个信标节点，基于所述任意两个信标节点之间的距离参数估算出所述任意两个信标节点之间的实际物理距离； 以及，对于所述无线传感网络中的每个未知节点及任意两个信标节点中的每个信标节点，根据所述每个未知节点与各信标节点之间的距离参数以及所述任意两个信标节点之间的实际物理距离，计算出所述每个未知节点在无线传感网络中的初步位置； 5103、对所述每个未知节点的初步位置进行纠正，得到所述每个未知节点在无线传感网络中的最终位置。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，步骤S103中对所述每个未知节点的初步位置进行纠正包括: 51031、对所述每个未知节点进行边界节点的检测，根据所述检测判断所述每个未知节点是否为边界节点； 51032、在判定为边界节点的情况下，确定所述每个未知节点相对于相应信标节点的修正邻居节点个数，并基于所述修正邻居节点个数再次执行步骤102，得到所述每个未知节点的最终位置； 51033、在判定不为边界节点的情况下，基于所述初步位置得到所述每个未知节点与相应信标节点的定位邻居序列，并与`原邻居序列进行比较，计算两序列中共有的子序列在原邻居序列中的所占比例，并基于所占比例的大小判定所述每个未知节点是好节点还是坏节点；其中，所述原邻居序列为网络初始化时经SlOl步骤得到的邻居序列； 在判定所述每个未知节点是好节点的情况下，通过所述每个未知节点的初步位置信息来对相应信标节点的位置进行反定位，得到所述相应信标节点的定位误差，并基于所述定位误差判定所述好节点是否为定位精度较高的节点；通过精度较高的节点来对精度较差的节点进行校正，得到所述好节点的最终位置； 以及，在判定所述每个未知节点是坏节点的情况下，基于无线传感网络中原有的信标节点以及所述好节点的最终位置信息，再次对坏节点执行步骤102，得到所述坏节点的最终位置； 51034、基于步骤S1032以及步骤S1033得到的最终位置，得到所述每个未知节点在无线传感网络中的最终位置。
3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S1033中“通过所述每个未知节点的初步位置信息来对相应信标节点的位置进行反定位，得到所述相应信标节点的定位误差，并基于所述定位误差判定所述好节点是否为定位精度较高的节点，通过精度较高的节点来对精度较差的节点进行校正”包括: 选取四个好节点，对所述四个好节点以及相应信标节点依次执行步骤S102及S1033，得到所述相应信标节点相对于四个好节点的定位误差；判断所述定位误差是否小于第一阈值；若是，则判定所述四个好节点为精度较高的节点，并将所述四个好节点设置为新信标节点；若否，则判定所述四个好节点为精度较差的节点，再选取其他四个好节点，重复此判断过程，直至有四个好节点被判定为精度较高的节占.基于所述新信标节点以及所述相应信标节点，再次对精度较差的节点执行步骤102，得到精度较差的节点的校正位置； 再选取其他四个好节点，重复执行上述定位精度高低的判断，直至所有好节点的定位精度被判定以及所有精度较差的节点被校正。
4.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述S1031包括: 计算所述每个未知节点的边界权重Pi,并判断所述边界权重Pi是否小于权重阈值； 若是，则判定相对应的未知节点为边界节点； 若否，则判定相对应的未知节点为非边界节点。
5.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于，通过下述公式计算修正邻居数:VNC(i,j) = NC(j, i) Xpi, 其中，Pi代表了第i个未知节点的边界权重，VNC(i，j)和NC(i，j)两者之间值较大的作为节点i相对于节点j的修正邻居数。
6.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，任意两个传感器节点之间的距离参数通过以下公式计算:
JND (Xi, Xj) = NC (Xi, Xj) UNC (Xj, Xi)， 其中，NC(Xi, Xj)表示为节点Xj相对于Xi的邻居节点数，即当节点Xi的通信半径为刚好能够感知到邻居节点时，所在通信半径内能够感知到的邻居节点数目。
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于，两个信标节点之间的实际物理距离通过以下公式估算:
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述计算出所述每个未知节点在无线传感网络中的初步位置包括: 计算每个未知节点到信标节点的距离； 利用最小二乘法计算每个未知节点的初步位置。
9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于，根据以下公式计算每个未知节点到信标节点的距离 = JNDunit ? JND (Vi, Rk)。
【文档编号】H04W64/00GK103619062SQ201310628562
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】李向阳, 波澄, 毛续飞 申请人:清华大学