完全分布式无线传感网中鲁棒性多声源定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种完全分布式无线传感网中鲁椿性多声源定位方法，可广泛应用于 无线传感网中多声源定位等领域。
【背景技术】
[0002] 声源定位技术就是利用声学电子装置接收声源发出的声波信号，通过对检测到的 声音信号计算分析，求出声源位置的技术。无线传感网中声源定位就是将传感器节点随机 播撒在监测区域内W接收目标声源的声场信息，根据检测到的信息来确定目标的位置。
[0003] 无线传感器网络中声源定位的特征就是要求定位精度高、能量消耗少、稳定性强 等，目前基于无线传感器网络的系统定位架构主要为集中式结构，此结构要求每个节点把 自己的检测信息都统一的发送到汇聚节点，最终由汇聚节点完成信息的处理等。在无线传 感器网络中，直接应用此集中式结构的声源定位算法，将会带来许多问题：首先，每个节点 都与汇聚节点直接通信，对无线通信带宽提出了较高的要求，容易在汇聚节点周围产生无 线传输的瓶颈，同时大量数据远距离无线传输将会带来大量的能量消耗；其次，汇聚节点的 稳定性也影响了整个无线传感器网络的鲁椿性，过度依赖汇聚节点也影响了网络动态拓扑 的扩展。
[0004] 目前，无线传感网中声源定位方法根据传感器节点采集的物理量可分为=类： 基于DOA(directionofarrival)的声源定位算法，基于TDOA(timedifferenceof arrival)的声源定位算法和基于RSS(receivedsignalstrength)的声源定位算法。基于 TD0A的方法需要准确的测量出不同传感器节点之间的时间差。为了达到该个目的，必须比 较到达各个传感器节点的声音信号。在最坏的情况下，需要传输大量的原始时间数据。该 样会消耗大量无线通信带宽与能量。另外，为了比较不同传感器节点之间的相对时延，需要 对采样过程进行同步。由于受到多方面因素的影响和制约，在无线传感网里做到同步是非 常困难的。基于D0A的方法是通过计算声音信号到传感器阵列的波达方向来进行定位的。 首先，该方法局限于窄带信号，不能用于宽频；其次，传感器节点必须排成间隔相同的阵列； 最后，D0A方法需要节点间大量的数据交互。该些特点对于能量有限的无线传感器网络来说 不是一个好的选择。近年来提出的基于RSS的方法，不要求节点之间进行精确时间同步，更 加适合于无线传感器网络的系统需求。在基于RSS的定位方法中，最大似然估计算法由于 其定位精度高，既适合单声源定位又适合多声源定位，应用最为广泛。在该类定位算法中， 通常假设环境噪声为高斯白噪声，然而在实际应用环境中如停车场、野外恶劣环境中，受外 在环境因素和人为因素等的影响，高斯噪声模型不能再适应实际工作中的定位需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对上述技术中存在的不足，本发明提供一种完全分布式无线传 感网中鲁椿性多声源定位方法，该方法克服了传统定位方法中能量消耗高、不能适应实际 工作环境的需求等问题，达到了降低能量消耗，更好适应实际需求，提高定位精度的目的。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的构思是；首先构造完全分布式的无线传感器网络； 然后建立含混合噪声的声源信号模型；在此基础上采用EM算法的E步完成传感器检测信号 总能量的分解；针对每个节点利用M估计完成声源位置的估计；最后利用鲁椿一致性算法 对每个节点所得的估计值进行融合W得声源位置的全局估计值，进一步提高定位精度。
[0007] 根据上述发明构思，本发明采用的技术方案是：
[000引完全分布式无线传感网中鲁椿性多声源定位方法主要包括W下几个步骤：
[0009] 步骤一，建立直角坐标系，布设传感器节点，构建完全分布式无线传感器网络，即 每个传感器节点只与邻居节点进行通信和数据传输；
[0010] 步骤二，构建含混合噪声的声源信号模型；
[001U 步骤S，对传感器节点检测到的K个声源的能量叠加值，利用EM算法的E步完成 声源能量的分解，即近似得到对应的每个声源的能量估计值；
[0012] 步骤四，构建M估计目标函数，利用迭代非线性加权最小二乘法完成声源位置估 计，即每个传感器节点都得到K个声源位置估计值；
[0013] 步骤五，根据传感器节点得到的声源位置估计值，然后利用鲁椿一致性算法对所 得的估计值进行融合W得声源位置的全局估计。
[0014] 本发明的完全分布式无线传感网中鲁椿性多声源定位方法与现有定位方法相比， 具有W下明显的优势：该方法采用了基于完全分布式结构的网络类型，避免了大量数据远 距离无线传输，节省了大量能量，同时采用了混合高斯噪声模型更好的适应实际环境的需 求，在此基础上采用了M估计，利用迭代非线性加权最小二乘法及鲁椿一致性算法得到声 源位置的全局估计，提高了算法收敛到全局估计值的可能性，大大提高了定位精度，可广泛 应用于更复杂环境中声源定位等领域。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明完全分布式无线传感网中鲁椿性多声源定位方法的流程图；
[0016] 图2为本发明无线传感器网络的系统结构图；
[0017] 图3为本发明提出的完全分布式结构示意图；
[001引图4为与本发明相比较的集中式网络结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 为了更好地理解本发明的技术方案，W下做进一步详细描述：
[0020] 如图1所示，本发明完全分布式无线传感网中鲁椿性多声源定位方法利用无线传 感网完全分布式特性，结合非高斯混合信号模型，利用M估计及鲁椿一致性算法进行空间 多声源定位，具体实施步骤如下：
[0021] (1)建立直角坐标系，布设传感器节点，构建完全分布式无线传感器网络，即每个 传感器节点只与邻居节点（它单跳范围内的节点）进行通信和数据传输，具体如下：
[002引如图2所示，无线传感器网络通常是由传感器节点、汇聚节点、Internet或通信卫 星、管理节点等部分组成，大量微型传感器节点通常被播撒在监测区域内，节点间通过自组 织的形式形成网络，W多跳路由的方式将检测到的数据传送到汇聚节点，最后汇聚节点通 过Internet或通信卫星将数据传送到管理节点。具体步骤如下；假设在一个无线传感器网 络的监测区域内，有K个声源和随机布设的N个传感器节点组成，其中节点位置已知，第n(n=1，…，脚个传感器节点坐标表示为{1。=[X。，yjT, 1《n《N};声源的位置未知，第k(k =1，…，K)个声源的坐标表示为{Tk= [Xsk，yjT, 1《k《口，其中(Lf表示矩阵或向量的 转置，X，y分别表示直角坐标系中的节点或声源的横纵坐标值；完全分布式无线传感器网 络结构如图3所示，图中第一项限内的矩形区域为无线传感器网络的监测区域；每个传感 器节点只与它单跳范围内的节点进行通信及数据传输，图3中简单表示出了节点1和节点 2单跳范围内的节点；对于第n个传感器节点，定义它单跳范围内的所有节点集合为Q(n)， 且此集合内元素个数即传感器节点个数为L。，即集合Q(n)内的L。个节点可W自由的通信 及数据交互。相比于基于集中式结构的网络结构如图4所示，基于完全分布式结构的声源 定位避免了大量数据远距离无线传输，由此节省了大量能量，理论如下式（1):
[0023]
C1)
[0024] 在此结构中，传感器节点中的无线电装置需要氏1。。= 50nJ/bit的能量来启动传输 电路，传输放大器需要eamp=l(K)pJ/bit/m2的能量来启动电路，W能够获得合适的信噪比， E(