基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法

文档序号:10539669阅读:358来源:国知局
基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法
【专利摘要】本发明提出基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法,包括步骤:道路沿线节点对参数和变量进行初始化,根据自身的通信半径R以及道路情况,将相邻道路划分成N个区间,并为每个区间建立一个能量衰减列表P;道路沿线节点根据接收到的车辆发布信息和信号,进行区间能量衰减统计;对每个区间的能量衰减列表进行统计,得到区间的可信值;选取可信区间进行定位;根据区间的可信值重新调整。本发明通过划分通信区域,对大量车辆位置信息和接收信号进行统计和分析,选取可信度较高的车辆坐标区间和区间信号传播衰减进行定位计算,估计节点的位置坐标,对于复杂环境下的车辆自组织网络的定位以及安全等方面的应用开发有着重大的意义。
【专利说明】
基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于车辆自组网技术领域,具体涉及复杂移动环境下车辆自组织网络中道 路沿线节点定位方法。
【背景技术】
[0002] 车辆自组网作为移动自组织网络在智能交通系统中的具体应用,是一种特殊的自 组网形式,具有结构开放和灵活等特点,其巨大的应用潜力受到学术界和产业界的重视,而 基于位置的服务是车载自组织网络中重要的应用基础。
[0003]道路沿线的节点由于成本问题,一般都缺乏定位装置。这类节点安装后,无法获得 自身的位置信息,必须根据其他设备发布的信息进行分析和计算才能估算出当前的位置。 而车载自组网的节点一般配备有精确的定位系统,比如GPS等等,能够支持各种基于位置的 应用服务,例如辅助驾驶、交通信息发布、车辆间通信和接入等服务,因此车辆可以广播自 身的位置信息给道路沿线的节点,协同道路沿线节点的定位。
[0004] 当道路沿线的节点获得足够的车辆发布的位置信息后,可以根据车辆坐标和接收 到的信号强度进行位置估计。但是,在车辆自组网中存在多种复杂的因素,使得道路沿线的 节点的精确定位非常困难:首先,通信环境非常复杂,存在各种反射、多径、衰落和多普勒效 应,这些信道因素会使信号接收强度发生各种变化,从而影响了大多数定位方法中的测距 准确性;其次,道路沿线的阻碍物体会影响道路节点接收车辆发布的信息,使得接收到的位 置信息有限,无法满足定位方法对信标数量的要求;最后,车辆自组织网络与现有的网络类 似,存在女巫、虫洞和重放等各种攻击,攻击的存在会使得道路沿线节点接收到错误的位置 信息,导致位置估计值远远偏离实际值。
[0005] 多种因素综合在一起,使道路沿线节点的定位变得非常的复杂。虽然在无线传感 器网络中有大量的定位方法研究,但是由于移动环境的信道变化,已有的测距定位方法变 得难以适用,而非测距方法需要复杂的路由和固定的信标节点,较少讨论利用车辆的位置 信息来完成定位。另外,目前的研究对于车辆自组网中大量的不同车辆的时变位置信息的 考虑较少,而这些复杂的数据都可以更好的用于节点的定位。

【发明内容】

[0006] 为了解决现有技术中移动环境下车辆定位不精确的技术问题,本发明提出基于区 间可信评估的道路沿线节点定位方法,用于车辆自组织网络中协助道路沿线节点进行定 位,通过划分通信区域,对大量的车辆位置信息和接收信号进行统计和分析,选取可信度较 高的车辆坐标区间和区间信号传播衰减进行定位计算,估计节点的位置坐标,对于复杂环 境下的车辆自组织网络的定位以及安全等方面的应用开发有着重大的意义。
[0007] 本发明采用如下技术方案来实现:基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法, 应用于车辆自组织网络,包括以下步骤:
[0008] 步骤1:道路沿线节点对参数和变量进行初始化,根据自身的通信半径R以及道路 情况,将相邻道路划分成N个区间,并为每个区间建立一个能量衰减列表P,能量衰减列表P 包括能量衰减等级和记录次数;
[0009] 步骤2:道路沿线节点根据接收到的车辆发布信息和信号,进行区间能量衰减统 计;
[0010] 步骤3:对每个区间的能量衰减列表进行统计,得到区间的可信值;
[0011] 步骤4:选取可信区间进行定位;
[0012] 步骤5:根据区间的可信值重新调整。
[0013] 优选地,步骤2所述的区间能量衰减统计如下:
[0014] 节点根据道路上车辆发布的信息,获得车辆发布信息的坐标,根据坐标信息确定 区间;
[0015] 节点将车辆发布信息中的发射功率和实际接收到该信息的功率相减,计算能量衰 减值,根据能量衰减值查询能量衰减列表P获得能量衰减等级,将该区间的能量衰减列表中 的衰减等级的记录次数加1;
[0016] 判断衰减等级的记录次数的累加值是否达到累加最大值,如果是,则执行步骤3, 否则,继续接收车辆发布的信息。
[0017]优选地,所述步骤3对每个区间的能量衰减列表进行统计如下:根据能量衰减列表 中的每个等级记录次数获得每个区间车辆发射信息的总次数,以及记录次数最多的衰减能 量等级,将每个区间的衰减能量等级记录次数最大值除以记录总次数,其值作为该区间的 可信值。
[0018] 优选地,所述步骤4选取可信区间进行定位,包括以下步骤:
[0019]步骤41:选出所有区间中可信值最大的区间nmax;
[0020]步骤42:设定位算法需要用B个位置坐标进行定位,将N个区间分成B个区域,将N除 以B,得到商为J,余数为K,第一个区域h包含最大可信值区间,执行步骤43,使第一个区域 包含了总共J+K个区间;
[0021]步骤43:划分第一个区域:如果最大可信值区间与第一个或最后一个区间相距L个 区间,当L<(J+K-l)/2时,nmax临近第一个或最后一个区间的L个区间,以及另外一边的J+K-1-L个区间作为第一个区域b 1;否则,当J+K-1为偶数时,rw相邻的两边各取(J+K-l)/2个区 间,作为第一个区域b1;当J+K-1为奇数时,可任意一边取(J+K)/2个区间,另外一边取(J+K-2)/2个区间,作为第一个区域h,完成后执行步骤44;
[0022]步骤44:划分其余的B-1个区域:将剩余的N-(J+K)个区间,按照等分的方法分成B-1个区域,每个区域包含J个区间;
[0023]步骤45:从每个区域中选取可信值最大的区间,选取该区间的中值作为可信坐标, 并从每个区间最大的区间的能量衰减列表中选取记录次数最多的衰减等级,查询能量衰减 列表获得能量衰减范围,取中值作为该坐标到节点的能量衰减值,按照无线信号在空间传 播的模型计算该坐标到节点的可信距离;
[0024]步骤46:根据定位方法,利用多个区间的可信坐标和可信距离估计节点位置坐标。
[0025] 优选地,所述步骤5根据区间的可信值重新调整,步骤如下:
[0026] 步骤51:判断区域中可信值最大的区间的大小是否小于精度要求,如果满足,则该 区域所在的区间不进行区间调整,否则,执行步骤52;
[0027] 步骤52:将区域中可信值最大的区间拆分成等份的两个区间;
[0028] 步骤53:将区域中可信值最小的区间与相邻同区域可信值最小的区间合并;
[0029] 步骤54:对拆分和合并后的区间重新按照顺序编号;
[0030] 步骤55:将新区间的能量衰减列表中的记录次数清零,如果遍历完全部区域,则执 行步骤2,否则,则执行步骤51,调整下一个区域。
[0031 ]与现有技术相比,本发明具有如下优点:
[0032] 1、本发明采用了统计多辆车发射的信息的方法对道路的各个区间进行可信分析, 克服了仅用一辆车的信息进行定位而容易被环境干扰和恶意破坏的缺点,提高了定位的鲁 棒性。
[0033] 2、本发明方法对于车辆自组网中恶意车辆发出的信息也进行记录,但是当恶意车 辆数量少于正常车辆时,对通过统计获得的可信值影响不大;因此,本发明方法可以较好的 抵御恶意车辆进行的攻击。
[0034] 3、本发明方法中区间的大小可以调整,从而在一定误差允许范围内能较好的逼近 节点的实际坐标,满足节点位置估计的精度要求。
[0035] 4、本发明方法对统计次数较少的区间可以合并,从而可以较好的利用非屏蔽区间 的信息进行定位,避免障碍物对定位的影响。
【附图说明】
[0036] 为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图 作简单地介绍;显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技 术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037] 图1为本发明基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法的流程图;
[0038] 图2为节点对通信范围内的道路进行区间划分的示意图及能量衰减列表;
[0039] 图3为选取可信值最大的多个区间方法的流程图;
[0040] 图4为区间调整方法流程图。
【具体实施方式】
[0041] 为了更加清楚地描述本发明,以下结合具体的实施例和附图,对本发明技术方案 进行清楚、完整的描述,但本发明的实施方式不限于此。基于本发明中的实施例,本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都落入本发明的保护 范围。
[0042] 实施例
[0043] 参阅图1,本发明基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法,应用于复杂移动环 境下车辆自组织网络中道路沿线节点的定位,具体包括以下步骤:
[0044] 步骤1:道路沿线节点对参数和变量进行初始化,根据自身的通信半径R以及道路 情况,将相邻道路划分成N个区间,并为每个区间建立一个能量衰减列表P。
[0045] 如图2所示,节点A将道路L在通信半径R内的区域分成了N个区间,m,n2, ···,_,本 实施例中采用对道路L进行距离等分的方法划分区间。
[0046] 步骤1所述的能量衰减列表P包括以下内容:能量衰减等级和记录次数。本实施例 中,将接收信号能量衰减值p如表1进行划分:
[0047]表1能量衰减等级划分
[0048]
[0049] 每个道路的区间都按照上表建立各自的能量衰减列表,如本实施例所示,为m, Π2,…,ni6区间建立能量衰减列表Pi,P2,…,Pl6,对所有的记录次数进行初始化为0。
[0050] 步骤2:道路沿线节点根据接收到的车辆发布信息和信号,进行区间能量衰减统 计。
[0051] 节点根据道路上车辆发布的信息,可以获得车辆发布信息的坐标,根据坐标信息 确定区间,如根据车辆的坐标确定在道路的n6区间。
[0052]节点再将车辆发布信息中的发射功率PSend和实际接收到该信息的功率PRec相减, 计算能量衰减值P = PS(3nd-PRe3。,根据p值查表1,获得衰减等级,将该区间的能量衰减列表Pi中 的衰减等级的记录次数加1。
[0053] 判断衰减等级的记录次数的累加值是否达到累加最大值,例如100,如果达到了最 大值,则执行步骤3,否则,继续接收位置信息。
[0054] 步骤3:对每个区间的能量衰减列表进行统计,根据能量衰减列表中的每个等级记 录次数获得每个区间车辆发射信息的总次数,以及记录次数最多的衰减能量等级,将每个 区间的衰减能量等级记录次数最大值除以记录总次数,其值作为该区间的可信值。如表2所 示:
[0055] 表2各区间功率衰减列表及区间可信值
[0056]
[0057] 在表2中,当区间Π 2的第12个能量衰减等级的记录次数达到最大记录次数,比如 100,则执行步骤3,统计区间ηι,η2,…,η?6的功率衰减列表中最大记录次数的衰减等级和总 共记录次数,最后获得可信值。
[0058] 步骤4:根据不同定位方法所需的信标数量,选出满足数量要求的多个可信区间, 取区间坐标中值,将记录次数最大的能量衰减值转换为传播距离,道路沿线节点根据坐标 和距离计算自身位置坐标。
[0059] 选取可信值最大的多个区间的方法参阅图3,包括以下步骤:
[0060] 步骤41:选出所有区间中可信值最大的区间nmax,如上表所示η2的可信值达到 〇. 59,是所有区间中可信程度最高的区间。
[0061 ]步骤42:设定位算法需要用Β个位置坐标进行定位,节点对道路有Ν个区间划分,将 Ν除以Β,得到商为J,余数为Κ。将Ν个区间分成Β个区域,第一区域bl包含最大可信值区间,执 行步骤43,使第一区域包含了总共J+K个区间。
[0062]具体实例如表2所示,例如采用三点定位的方法,那么就需要B = 3个位置坐标,这 些位置坐标将从3个区域中选取。将节点对道路的区间数量N=16除以算法所需信标数量B =3,得到商J为5,余数K为1,即包含最大可信值的区间n 2的第一个区域h总共需要包含6个 区间,其他区域b2和b3包含5个区间。
[0063]步骤43:划分第一个区间匕,如果最大可信值区间nmax与第一个nfirst或最后一个区 间niast相距L个区间,即L = max_f irst,或L = last_max,当(J+K-l)/2时,nmax临近第一个 或最后一个区间的L个区间,以及另外一边的J+K-1-L个区间作为第一个区域b 1;否则,当J+ K-1为偶数时,nmax相邻的两边各取(J+K-l)/2个区间,作为第一个区间b 1;当J+K-1为奇数 时,可任意一边取(J+K)/2个区间,另外一边取(J+K-2)/2个区间,作为第一个区域h,完成 后执行步骤44。
[0064]具体实例如表2所示,最大可信值区间n2与第一个区间m相距1个区间,而(J+K-1)/ 2= (5+1-1)/2 = 2.5,大于1,所以第一个区域在112的一边只包含了m-个区间,另外一边包 含了J+K-1-L = 5+l-l_l =4个区间,即第一个区域bi包含了6区间ηι,Π 2,η3,η4,η5,η6。
[0065] 步骤44:划分其余的区域,将剩余的N_(J+K)个区间,按照等分的方法分成Β-1个区 域,每个区间包含J个区间。
[0066] 具体实例如表2所示,除第一个区域所包含的区间外,还剩下10个区间,等分之后, 第二个区域b2包含m,ns,ng,mo,mi区间,第三个区域b3包含m2,ni3,ni4,ni5,ni6区间。
[0067] 步骤45:从每个区域中选取可信值最大的区间,选取该区间的中值作为可信坐标, 并从每个区间最大的区间的能量衰减列表中选取记录次数最多的衰减等级,查找表1获得 能量衰减范围,取中值作为该坐标到节点的能量衰减值,按照无线信号在空间传播的模型 计算该坐标到节点的可信距离。
[0068] 具体实例如上表2所示,第一个区域的最大区间是112为0.56,该区间记录次数最多 的能量衰减等级为12,第二个区域的最大可信区间是n 9为0.22,该区间记录次数最多的能 量装减等级为8,第二个区域的最大可彳目区间是ni4为0.22,该区间记录次数最多的能量减 等级为10。根据表1可以得到每个区间对应的能量衰减范围,如Π 2记录次数最多的能量衰减 等级为12,能量衰减范围是-50 >p多-55,可以取-52.5作为衰减区间2的中点坐标到节点的 信号衰减能量。然后,根据下式所表达的无线信号空间模型计算距离d:
[0069]
[0070] 其中Pd〇是参考距离do的路径损耗功率,do取1米,ri为无线信号传播路径的损耗指 数,η和P(d〇)可以在安装感知节点时通过测试设定。
[0071 ] 由此步骤可以获得n2,ng和ni4的区间中点位置坐标M2(X2,y2),Mg(X9,y9)和Mi4(xi4, yw),作为可信坐标,以及这些坐标到节点A的距离d2,d9和d12,作为可信距离。
[0072]步骤46:根据定位方法,利用可信区间中点坐标和到节点的距离估计节点位置坐 标。
[0073] 如在表2的实例中,获得跑19和施4,以及d2,d 9和d12,即可用三点定位的方法估计节 点A的位置坐标。
[0074] 步骤5:根据区间的可信值对道路区间重新调整。
[0075] 区间调整的方法如图4所示,包含以下步骤:
[0076]步骤51:判断各个区域中可信值最大的区间的大小是否小于精度要求,如果满足, 则该区域所在的区间不进行区间调整,继续执行步骤51,调整下一个区域,否则,执行步骤 52〇
[0077] 例如在表2的实例中,区间n2的区间大小为5米,而节点设置的精度要求是8米,则 不需要再对n2所在的第一个区域匕的所有区间进行调整;如果区间11 2的区间大小为10米,则 需要对区域匕进行区间调整。
[0078] 步骤52:将各个区域中可信值最大的区间拆分成等份的两个区间。
[0079] 如在表2的实例中,设n2,n9和n14的区间大小都比精度要求大,需要进行区间调整, n2是区域b冲可信值最大的区间,所以可以将n2拆成n2J和n 2_2两个区间,n9是区域b2中可信 值最大的区间,所以可以将拆成n9」和n9_2两个区间,n14是区域b 3中可信值最大的区间,所以 可以将拆成瓜^和瓜^两个区间,以上拆分可以采用等距离拆分。
[0080] 步骤53:将各个区域中可信值最小的区间与相邻同区域可信值最小的区间合并。
[0081] 如在表2的实例中,n6是区域h中可信值最小的区间,其相邻属于区域1^的区间只 有ns,所以这两个区间合并成区间n 6_5;n8是区域b2中可信值最小的区间,其相邻属于区域b 2 的区间有m和n9,n7的可信值为0.17,n9的可信值为0.22,因为m的可信值较小,所以m和ns 区间合并成区间n8_7;n12是区域b3中可信值最小的区间,其相邻属于区域b 3的区间只有n13, 所以这两个区间合并成区间m2_13。
[0082] 步骤54:对拆分和合并后的区间重新按照顺序编号。
[0083]如在表2的实例中,经过步骤52和53的拆分和合并后,得到新的区间划分如表3所 示,对这些区间重新编号。原来η3区间在新的区间划分中序号已经变为ηΓ,如拆分的区间 n2_jPn2_2两个区间在新的区间划分中序号已经变为ηΓ和ηΓ,如合并的区间11 8_7在新的区 间划分中序号已经变为ηΓ。
[0084]
[0085] 步骤55:将新区间的能量衰减列表中的记录次数清零,如果遍历完全部区域,则执 行步骤2,否则,则执行步骤51,调整下一个区域。
[0086] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人 员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
[0087] 对所公开的实施例的上述说明,使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这 些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的,本发明中所定义的一般原理 可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最 宽的范围。
【主权项】
1. 基于区间可信评估的道路沿线节点定位方法,应用于车辆自组织网络,其特征在于, 包括以下步骤: 步骤1:道路沿线节点对参数和变量进行初始化,根据自身的通信半径R以及道路情况, 将相邻道路划分成N个区间,并为每个区间建立一个能量衰减列表P,能量衰减列表P包括能 量衰减等级和记录次数; 步骤2:道路沿线节点根据接收到的车辆发布信息和信号,进行区间能量衰减统计; 步骤3:对每个区间的能量衰减列表进行统计,得到区间的可信值; 步骤4:选取可信区间进行定位; 步骤5:根据区间的可信值重新调整。2. 根据权利要求1所述的定位方法,其特征在于,步骤2所述的区间能量衰减统计如下: 节点根据道路上车辆发布的信息,获得车辆发布信息的坐标,根据坐标信息确定区间; 节点将车辆发布信息中的发射功率和实际接收到该信息的功率相减,计算能量衰减 值,根据能量衰减值查询能量衰减列表P获得能量衰减等级,将该区间的能量衰减列表中的 衰减等级的记录次数加1; 判断衰减等级的记录次数的累加值是否达到累加最大值,如果是,则执行步骤3,否则, 继续接收车辆发布的信息。3. 根据权利要求1所述的定位方法,其特征在于,所述步骤3对每个区间的能量衰减列 表进行统计如下:根据能量衰减列表中的每个等级记录次数获得每个区间车辆发射信息的 总次数,以及记录次数最多的衰减能量等级,将每个区间的衰减能量等级记录次数最大值 除以记录总次数,其值作为该区间的可信值。4. 根据权利要求1所述的定位方法,其特征在于,所述步骤4选取可信区间进行定位,包 括以下步骤: 步骤41:选出所有区间中可信值最大的区间nmax; 步骤42:设定位算法需要用B个位置坐标进行定位,将N个区间分成B个区域,将N除以B, 得到商为J,余数为K,第一个区域h包含最大可信值区间,执行步骤43,使第一个区域包含 了总共J+K个区间; 步骤43:划分第一个区域:如果最大可信值区间与第一个或最后一个区间相距L个区 间,当(J+K-1 )/2时,nmax临近第一个或最后一个区间的L个区间,以及另外一边的J+K-卜 L个区间作为第一个区域b1;否则,当J+K-1为偶数时,nmax相邻的两边各取(J+K-l)/2个区 间,作为第一个区域b 1;当J+K-1为奇数时,可任意一边取(J+K)/2个区间,另外一边取(J+K-2)/2个区间,作为第一个区域h,完成后执行步骤44; 步骤44:划分其余的B-I个区域:将剩余的N-(J+K)个区间,按照等分的方法分成B-I个 区域,每个区域包含J个区间; 步骤45:从每个区域中选取可信值最大的区间,选取该区间的中值作为可信坐标,并从 每个区间最大的区间的能量衰减列表中选取记录次数最多的衰减等级,查询能量衰减列表 获得能量衰减范围,取中值作为该坐标到节点的能量衰减值,按照无线信号在空间传播的 模型计算该坐标到节点的可信距离; 步骤46:根据定位方法,利用多个区间的可信坐标和可信距离估计节点位置坐标。5. 根据权利要求4所述的定位方法,其特征在于,所述步骤5根据区间的可信值重新调 整,步骤如下: 步骤51:判断区域中可信值最大的区间的大小是否小于精度要求,如果满足,则该区域 所在的区间不进行区间调整,否则,执行步骤52; 步骤52:将区域中可信值最大的区间拆分成等份的两个区间; 步骤53:将区域中可信值最小的区间与相邻同区域可信值最小的区间合并; 步骤54:对拆分和合并后的区间重新按照顺序编号; 步骤55:将新区间的能量衰减列表中的记录次数清零,如果遍历完全部区域,则执行步 骤2,否则,则执行步骤51,调整下一个区域。
【文档编号】H04W4/02GK105898696SQ201610221850
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】刘震宇, 李嘉俊, 刘洋
【申请人】广东工业大学
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