一种基于拓扑约束分布式处理无线传感网络节点翻转模糊的定位器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络的节点定位领域。
【背景技术】
[0002] 无线传感网络（WirelessSensorNetworks,WSN)节点定位是当前的研宄热点之 一。WSN的节点定位方法通常可以划分为基于测距和基于非测距的两种方法。其中基于测 距的方法，由于定位精度高在节点定位中被广泛采用。不过该方法存在从已知的数据所估 计位置信息的非唯一性问题，也就是在定位中将出现节点的翻转模糊问题。而且，基于测距 的定位方法在实际定位中，如果发生翻转模糊，就可能产生节点定位的雪崩效应，导致整个 网络节点的定位失效。因此，有必要采取一定的措施对翻转模糊进行检测和处理，从而减小 其对整个网络定位过程的影响。
[0003] 对于检测出在定位中有可能发生翻转模糊的未知节点，目前有两种处理方式，一 种被称为悲观的处理方式，即直接不对该未知节点进行定位，从而防止其影响后续未知节 点的定位精度。这种处理方式虽然提高了节点的定位精度，但是也会降低节点的定位数量， 这在某些实际应用中是不可接受的；另外一种被称为乐观的处理方式，该处理方式满足大 多数应用的要求。
[0004] 目前提出的乐观处理节点翻转模糊的方法，大多数属于集中式的处理方法。但是 在大规模的无线传感器网络中，集中式的处理方法需要较大的通信开销，而且其扩展性能 比较差，所以，通信开销较小的分布式的处理方法更适合大规模的无线传感器网络。因此， 有必要对节点翻转模糊的分布式处理方法进行研宄。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于拓扑约束分布式处理无线传感网络节点翻转模糊的定位 器。此定位器在节点的定位过程中加入了对翻转模糊的检测和处理。该定位器的工作分为 两个阶段。第一阶段对网络中所有的未知节点进行翻转模糊检测，首先对检测出的不会发 生翻转模糊的节点进行定位。第一阶段的目的是为了给第二阶段提供更多的拓扑约束，这 样能够处理更多的节点。第二阶段，对于那些可能发生翻转模糊的节点，根据网络的拓扑约 束生成一个目标函数，然后寻找该目标函数的最小值，对其进行定位。本发明是通过以下技 术方案实现的：
[0006] 使用基于正交投影的方法对未知节点进行翻转模糊检测，对检测结果为不会 发生翻转模糊的节点，用最小二乘法对其定位；而对检测结果为可能发生翻转模糊的节 点，则利用网络的拓扑约束生成一个目标函数，然后用粒子群优化方法（ParticleSwarm Optimization,PS0)寻找目标函数的最小值，对其进行定位。
[0007] 具体实现过程如下：
[0008] 1.无线传感网络的节点定位中的翻转模糊问题描述
[0009] 节点定位的翻转模糊问题的发生指的是当参考节点间的位置几乎共线（二维定 位）或共面（三维定位）时，由于测距误差的存在，导致未知节点的定位存在两个关于某一 条直线（二维定位）或平面（三维定位）成镜像关系的估计位置。为了简便，下面以二维 定位的情况为例进行介绍。图2是节点二维定位的翻转模糊示意图，图2中节点A、B和C 是位置已知的参考节点，元,、名，和Jfrf分别是他们到未知节点的测量距离。以B、C两点 为圆心，分别以式,和式,为半径画两个圆。未知节点的位置必然在两圆的交点D或D'上， 且关于直线BC对称。假设待定位的未知节点位置为D，A到D和D'两点的距离分别为dad 和d'ad。测量距离L用来选择未知节点的估计位置，其选择的标准是七更接近dad(选择 D)还是更接近d'ad(选择D')。当A、B、C三点几乎共线时，dad和d' 3(1相差不大。由于 测距误差的存在，就有可能错误地选择D'作为未知节点D的估计位置。如果让这种错误定 位的未知节点参与其它未知节点的定位，可能导致整个网络节点的定位失效。
[0010] 2.利用网络拓扑约束处理翻转模糊的思想
[0011] 假设无线传感网络共有n个节点，其中m(m〈n)个为已知位置的锚节点。网络中任 意两个节点i和j(i辛j)如果能够相互通信，它们之间的距离&能够用某些测距方法得 出。无线传感网络节点定位的过程就是根据上述数据估计出其余n-m个未知节点位置的过 程。
[0012] 网络中两个节点之间的测距<可以用公式（1)表示：
[0013] dy=(Iij +Sij (1)
[0014] 其中，Clij和eu分别表示节点i和节点j之间的真实距离和测距误差。由于测距 误差存在，当未知节点的参考节点几乎共线（节点二维定位）或共面（节点三维定位）时， 未知节点的定位可能会发生翻转模糊。
[0015] 消除节点翻转模糊的方法之一是使利用网络的拓扑约束。图3是利用网络拓扑约 束纠正节点翻转模糊的示意图。图3中，实线表示其连接的两个节点能够相互通信，A、B和 C是未知定位节点的三个参考节点。由于A、B和C三个节点几乎共线，未知节点的定位可 能发生翻转模糊，即未知节点的定位有图3所示的D和D'两个位置。其中，D是未知节点 的正确位置，D'是未知节点错误的翻转位置。为了消除翻转模糊，可以利用额外的节点E。 在此，节点E被称为验证节点。验证节点要求位置已知并且不能与未知节点互相通信。我 们可以计算出节点E与D'的距离dED,。假设dED,满足公式（2):
[0016] dED. ^R ⑵
[0017] 其中，R表示通信半径。
[0018] 公式（2)表示验证节点E和未知节点能够相互通信，这与实际情况相矛盾，因此， D'的位置被排除，未知节点就能够被定位到正确的位置D。节点定位的翻转模糊被消除。
[0019] 3、基于拓扑约束处理翻转模糊的目标函数
[0020] 对于未知节点i，无线传感网络中已知位置的节点（包括锚节点和已经成功定位 的节点）可以用两个集合Nmi^PNMu,表示。其中，N^"表示能够与节点i互相通信的节 点，Nhut表示不能与节点i互相通信的节点。在定位过程中，节点i的位置必然要受到其 余节点的约束。本文中，我们将集合队_中的节点对节点i位置的约束称为i的内部约束Ii，集合Nhut中的节点对节点i位置的约束称为i的外部约束Ei。基于拓扑约束方法中的 目标函数就是内部约束和外部约束的组合。
[0021] 假设，未知节点i的估计位置为表，集合NMn中每个节点的位置Pj(jeU是 已知的。对未知节点i的定位，无翻转模糊处理的最优化节点定位方法中的目标函数一般 定义为：
【主权项】
1. 一种基于拓扑约束分布式处理无线传感网络节点翻转模糊的定位器，其特征在于： 提出了一种基于拓扑约束的处理节点翻转模糊的方法，该方法将节点的位置受到的约束分 为内部约束和外部约束，并对两种约束加权，生成一个目标函数，然后用粒子群优化方法寻 找该目标函数的最小值，对其进行翻转模糊处理；
2. 根据权利要求1所述的无线传感网络的节点定位器，其特征在于：在处理之前，用 基于正交投影的方法对未知节点进行翻转模糊检测，对检测结果为不会发生翻转模糊的节 点，用最小二乘法进行定位，以便在处理节点翻转模糊时提供更多的拓扑约束，从而能够处 理更多的节点；
3. 根据权利要求1及2所述无线传感网络的节点定位器，其特征在于：具体步骤如下： 步骤1 :寻找可定位的未知节点； 步骤2 :通过无线信道模型估计未知节点与参考节点之间的距离； 步骤3 :用基于正交投影的方法对网络中所有的未知节点进行翻转模糊检测； 步骤4 :对所有检测结果为不会发生翻转模糊的节点，用最小二乘法对其定位； 步骤5 :对所有检测结果为可能发生翻转模糊的节点，则利用网络的拓扑约束生成如 下的一个目标函数： Fi= I ^wEi 其中，IjP E 别是内部约束和外部约束；w是相对权值，在节点二维定位和三维定位 时，其取值分别为2和6。 对上述目标函数，用搜索性能较好的粒子群优化方法PSO寻找其最小值，从而对这些 未知节点进行定位。
【专利摘要】本发明设计了一种基于拓扑约束分布式处理无线传感网络节点翻转模糊的定位器。该定位器的工作分为两个阶段。第一阶段对网络中所有的未知节点用基于正交投影的方法进行翻转模糊检测，首先对检测出的不会发生翻转模糊的节点用最小二乘法进行定位。这一阶段的目的是给第二阶段提供更多的拓扑约束，从而能够处理更多发生翻转模糊的节点。第二阶段，对于那些可能发生翻转模糊的节点，根据网络的拓扑约束生成一个目标函数，然后用粒子群优化方法寻找该目标函数的最小值，对其进行定位。本发明在节点定位的过程中加入了翻转模糊的检测和处理，不仅具有很高的节点定位率，而且提高了节点的定位精度。
【IPC分类】H04W4-02, H04W64-00
【公开号】CN104853436
【申请号】CN201510283880
【发明人】董恩清, 刘伟, 宋洋
【申请人】山东大学（威海）
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月28日