一种自适应精度控制的wsn节点定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及WSN节点定位方法，特别涉及一种自适应精度控制的WSN节点定位方 法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN)是借助部署大量具有感知、计 算和无线通信能力的传感器节点而组成的网络。传感器节点具备感知、计算和通信等功能， 彼此合作完成一些复杂的任务。一般情况下，要提供这些服务，首先要获得传感器节点的位 置信息。因此，WSN节点的定位问题逐渐成为人们关注的热点。
[0003] 常用的WSN节点定位方法很多，一般首先都需要已知一些节点的位置信息，这类 节点被称为信标节点，在获取信标节点位置的基础上，借助一定的定位方法，完成未知节点 的定位。基于RSSI (Received Signal Strength Indication)来进行测距的WSN节点定位 是一种较为常用的方法。在获得RSSI的基础上，通过一定的信号传播模型就可以进行测 距。可是在噪声的影响下，RSSI具有一定的波动特性，会引入一定的测距误差，从而WSN节 点的定位误差也是波动的。此外，信标节点的分布均匀情况下，一般能够获得好的定位结 果，但实际情况下，信标节点的部署有可能是随机的从而导致WSN节点的定位误差波动。因 此，WSN节点在不同位置、不同时间的定位具有很大的差异性。一般情况下，可以通过多次 测量RSSI求平均值，来提高WSN节点定位的精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决噪声和信标节点的部署会导致WSN节点的定位误差波 动的问题而提出的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。
[0005] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点 U= (x，y)，设U接收到信号的第i个信标节点为Bi= (Xi，yi)，i = 1，2，...，N，N彡M，B^ 于未知节点U是可见的；其中，（Xi，yi)表示信标节点&的坐标，N表示对于未知节点U可见 的信标节点的数目；
[0007] 步骤二、在受高斯噪声η的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信 标节点B i的距离V i:根据V i得到未知节点U到信标节点B i真实距离d i的无偏估计量:
[0008]
【主权项】
1. 一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于一种自适应精度控制的WSN 节点定位方法具体是按照以下步骤进行的： 步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点U= (x，y)，设U接收到信号的第i个信标节点为&=(xi，yi)，i= 1，2,. . .，N，N彡M，Bi对于 未知节点U是可见的；其中，（Xi，yi)表示信标节点&的坐标，N表示对于未知节点U可见的 信标节点的数目； 步骤二、在受高斯噪声n的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信标节 点&的距离vi:根据vi得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量:
其中：
，i= 1，2,. ..，N;在距离信标节点4处设置参考节点， 参考节点接收信标节点&的信号功率为PjcU;未知节点U与信标节点&的距离为di;在不 受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点&的信号功率为Pi(cQ;在高斯噪声n的影响 下，未知节点U通过K次测量接收到信标节点&的信号功率^以）的均值为巧以）；a为路 径损耗指数，对于传感器网络工作环境为自由空间时，其值一般取为2 ; 6以_) = /;以)+ ? > n为均值为0,方差为cr"2的高斯噪声；K为整数； 步骤三、根据无偏估计量^结合加权最小二乘法和牛顿迭代法得到如下矩阵形式：b=H?AX(3)
其中,AX= [(x-Xh) (y-yH)]1，
，i= 1，2, ? ??，N; 权重矩阵W为：
获得AX为： AX= (HtWH) _1HTffb(7) 取AX= [(Hi) (yk-yd]'根据公式（4)、（5)、（6)和（7)进行迭代求解，得到信 号测量次数为K次时，未知节点U位置的估计坐标;其中，xk，yk为第k次牛顿迭 代法求解未知节点U位置坐标； 步骤四、定义误差因子R=tr((tfD^ir1)，根据未知节点U位置的估计坐标计算定位误 差的方差 < 为：
其中，tr( ?)表示矩阵的迹，即对角线元素之和；定义
diag[ ?]表示对角阵； 步骤五、根据WSN节点定位的实际需求，令定位误差的标准差的门限值为PL，也称 为保护门限；若满足退出程序执行，Xk，yk为未知节点最终的定位结果，若 < > (H):，则获得未知节点所需测量信标节点I信号的次数Kn"为：
「?1表示向上取整，根据保护门限PL，结合式（9)，计算需要测量信标节点&信号的次 数Knew; 步骤六、若KnOT<K，退出程序执行，xk，yk为未知节点最终的定位结果；若KnOT>K，未知 节点U在K次的基础上，再次测量（KnOT-K)次接收到的信标节点&的信号功率/;"_(〇j= 1，2,…，Knew-K; 则未知节点接收到来自信标节点&的信号功率的平均值为/y以）：
步骤七、将K值更新为K=KnOT，重新执行步骤二?七的过程，直至满足Kn"<K或 (R):，退出程序执行，得到未知节点最终的定位结果xk，yk;即完成了一种自适应精度 控制的WSN节点定位方法。
2.根据权利要求1所述一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于：步骤 二中计算未知节点与信标节点Bi的距离vi具体为：
3. 根据权利要求1所述一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于：步骤 三中迭代求解过程如下： (1) 设未知节点U的初始位置为（X(l，％)，即迭代的初始值； (2) 当k= 1时，根据式（4)、（5)和（6)分别获得H、b和W，并代入式（7)获得此时的AX，AX= [(Xl-X(l) (y「ytl)]T，进而获得第一次迭代的结果（Xl，yi);若AX的二范数小于 设定的迭代门限值，则退出迭代，未知节点U位置的估计坐标pi) = (Xl,yi)，否则k+1执行 步骤（3);当AX小于迭代门限值时，认为迭代收敛；迭代门限值设定为0.01 ; (3) 当k>l时，根据式（4)、（5)和（6)分别获得H、b和W，并代入式（7)获得此时的AX =[(Xk-xg) (yk-yj]1;当AX的二范数小于迭代门限值时，退出迭代，未知节点U位置的 估计坐标; (4) 当AX的二范数大于等于迭代门限值时，将k+1，返回执行（3)中的步骤；直到AX 的二范数小于迭代门限值为止，退出迭代，未知节点U位置的估计坐标kyj=yA_。
4. 根据权利要求1所述一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于：步骤 四中定义误差因子R=tr((tfD^ir1)，根据未知节点U位置的估计坐标计算定位误差的方 差 < 具体过程为： 设e= [ex，ey]T分别表示未知节点U在x和y方向上的定位误差为eJPey;则 定位误差的方差
令C =e ?eT，表示未知节点定位误差的协方差矩阵；根据加权最小二乘理论：
则定位误差的方差#为：
5. 根据权利要求1所述一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于：步骤 五中若< > (/>/..):，则获得未知节点所需测量信标节点Bi信号的次数Kn"的具体过程为： 当< > (PZ)2时，为满足，需要将测量信标节点&信号的次数提高到KJ欠， 根据式（8)，即为：
「?1表示向上取整；由于误差因子R处于1〇2的量级，（PL) 2/R<< 1，式（14)近似为：
【专利摘要】一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，本发明涉及WSN节点定位方法。本发明是要解决噪声和信标节点的部署会导致WSN节点的定位误差波动的问题而提出的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。该方法是步骤一、设U接收到信号的第i个信标节点为Bi＝(xi,yi)；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量；步骤三、得到U位置的估计坐标；步骤四、计算定位误差的方差；步骤五、获得未知节点所需测量信标节点Bi信号的次数Knew；步骤六、得到未知节点接收到来自信标节点Bi的信号功率的平均值为；步骤七、得到未知节点最终的定位结果xk,yk等步骤实现的。本发明应用于WSN节点定位领域。
【IPC分类】H04W84-18, H04W64-00
【公开号】CN104581944
【申请号】CN201510041398
【发明人】韩帅, 岳晋, 孟维晓, 巩紫君
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月28日