专利名称：一种用于井下环境的一维无线传感器网络定位方法
技术领域：
本发明属于无线网络通信技术领域，尤其涉及一种用于井下环境的一维无线传感 器网络定位方法。
背景技术：
无线传感器网络由于其短距通信和多跳通信的特点，使得人们常常用它进行目标 定位和跟踪应用。为了获取矿井人员位置信息，人们考虑让矿工携带无线通信节点，并用无 线传感器网络对其进行定位。通常，矿井巷道十分狭长，宽度仅几米，而长度通常几公里，甚 至十几公里。因此，对矿工的定位目标，主要是确定矿工离巷道口的距离，即只需一维位置 信息。通常利用无线传感器网络进行目标定位，需要网络中存在一些已知自身位置信息的 节点，称之为锚节点。人们利用未知节点与锚节点的拓扑关系、或者检测锚节点信号强度， 实现对未知节点的定位。定位精度在很大程度上取决于锚节点的密度。然而，在极长距离 的井下环境中，锚节点不可能足够密集。因此，如何在一维稀疏的锚节点部署情况下，提高 目标的定位精度，成为一个挑战性问题。现有的无线传感器网络定位方法主要有如下(1)足巨 1 才目 # 夕去，JaL C. H. A. Savvides and Μ. B. Strivastava, “Dynamicfinegrained localization in ad-hoc networks of sensors,"in Mobicom'Ol, Rome, Italy, 2001, pp. 66-179，这种方法利用对无线信号衰减程度的测量，来估算目标位置 的距离。该方法在井下狭长环境中，由于多径衰落的影响，定位精度比较低。(2) ^ ^C ^ 法’ B D. W. Y. Wang, X. Wang and D. Agrawal, "Localization algorithm using expected hop progress in wireless sensornetworks,，，in MASS'06, Vancouver, Canada, Oct. 2006，pp. ；348_357，这种方法利用锚节点的位置信息，通过拓扑关 系，例如锚节点覆盖范围、与锚节点之间的跳数等，来估计目标节点的位置。该方法的精度 非常依赖于锚节点的密度。在稀疏的锚节点部署下，其定位误差接近50%的节点通信半径。因此，上述方法在稀疏的锚节点部署下，定位精度均将较低，不适宜用于井下一维 节点部署环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于井下环境的一维无线传感器网络定位方法，该方法 在相同锚节点部署密度下，简单有效的提高了目标节点的定位精度。一种用于井下环境的一维无线传感器网络定位方法，包括下述步骤第1步各锚节点在井下按一维等间距部署，相邻锚节点的间距D与锚节点通信半 径R满足D < R彡9D/8，目标节点的通信半径D/2彡r < R ；第2步目标节点监听周围锚节点信号，如果收到三个锚节点的信号，则确定自身 位置为这三个锚节点中处于中间位置的锚节点位置，进入第3步，如果只收到两个锚节点 的信号，则进入第3步；第3步目标节点向监听到的两个锚节点发送数据包，如果只收到位置较小的锚节点的回复，则确定自身位置为该锚节点位置加D/4，如果只收到位置较大的锚节点的回 复，则确定自身位置为该锚节点位置减D/4，如果不能收到任何锚节点的回复信息，则确定 自身位置为监听到的两个锚节点的中间位置；第4步已确定位置的目标节点向周围广播数据包，如果收到相邻已确定位置的 目标节点的数据包，且其与该相邻目标节点的当前确定位置相差D/2，则这两个已确定位置 的目标节点中较小位置的目标节点按照增大D/16进行位置修正，较大位置的目标节点按 照减小D/16进行位置修正。本发明所述的方法是一种基于井下环境的一维无线传感器网络定位方法。该方法 在井下巷道中均勻部署锚节点，对锚节点和目标节点的发射功率进行不对称设置，目标节 点通过判断当前链路个数和单/双向特征，从而划分自身存在的位置区间。此外，进一步探 测相邻目标节点，对估计位置进行修正。因此，该方法在锚节点密度一定情况下，简单有效 的提高了目标节点的定位精度，该方法在相同锚节点部署密度下，使目标移动节点(矿工) 的定位误差降到约13%的节点通信半径。
图1是本发明节点部署示意图；图2是本发明位置范围估计的示意图。
具体实施例方式下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发 明的保护范围并不受这些实施例的限制。本发明所述各节点的位置均用其到井口的距离来标记，节点位置小说明其距离井 口近，节点位置大说明其距离井口远。本发明具体包括以下几个步骤1、如图1所示，在一维环境中对锚节点进行均勻部署，为了保证每个锚节点可以 和相邻两个锚节点进行通信，部署的间隔距离D与其通信半径R的关系为R ^ 9D/8，若考 虑将锚节点密度最小化，则选择R = 9D/8。锚节点部署完成后，将周期性间隔地广播数据 包，用于给其覆盖范围内的目标节点进行检测。对目标节点发射功率进行较小设置，使其通 信半径r = D/2，如图1所示。可见，在某些位置区域，目标节点将不能与锚节点建立通信。 但是，在任何位置区域，目标节点将至少监听到两个的数据包。图2进一步划分了三种不同 特点的位置区域，图中A、B、C表示三个位置相邻的锚节点，I3b表示节点B的位置1)区域 RA1(PB-1/8D, I\+1/8D)，在该区域内，目标节点可监听到三个锚节点；2)区域RA2 (PB+1/8D， I\+3/8D)，在该区域内，目标节点只监听到两个锚节点，而且只能与其中一个建立通信；3) 区域RA3(PB+3/8D，I\+1/2D)，在该区域内，目标节点只监听到两个锚节点，而且不能与任何 一个建立通信。2、目标节点监听锚节点的信号。如果收到三个相邻锚节点的信号，则判断处于区 域RA1，进而确定自身位置为RAl的中间位置；如果只收到两个锚节点的信号，则进入第3 步做进一步判断。3、目标节点检测与所监听到的两个锚节点之间的通信能力。通过向该两锚节点发送请求包，并检查是否收到回复信息，判断位置区域。如果目标节点只收到一个锚节点的回 复信息，则判断其处于区域RA2，进而确定自身位置为RA2的中间位置；如果收不到任何锚 节点的回复信息，则判断其处于区域RA3，进而确定自身位置为RA3的中间位置。4、已确定位置的目标节点向周围广播探测包。如果该目标节点收到其它目标节点 的数据包，则表明该两目标节点处于邻近位置，即它们之间实际间距小于D/2。因此，如果两 节点的位置差大于D/2，则对其位置进行修正较小位置的目标节点位置增大D/16，较大位 置的目标节点位置减小D/16。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
权利要求
1. 一种用于井下环境的一维无线传感器网络定位方法，包括下述步骤 第1步各锚节点在井下按一维等间距部署，相邻锚节点的间距D与锚节点通信半径R 满足D < R彡9D/8，目标节点的通信半径D/2彡r < R ；第2步目标节点监听周围锚节点信号，如果收到三个锚节点的信号，则确定自身位置 为这三个锚节点中处于中间位置的锚节点位置，进入第4步，如果只收到两个锚节点的信 号，则进入第3步；第3步目标节点向监听到的两个锚节点发送数据包，如果只收到位置较小的锚节点 的回复，则确定自身位置为该锚节点位置加D/4，如果只收到位置较大的锚节点的回复，则 确定自身位置为该锚节点位置减D/4，如果不能收到任何锚节点的回复信息，则确定自身位 置为监听到的两个锚节点的中间位置；第4步已确定位置的目标节点向周围广播数据包，如果收到相邻已确定位置的目标 节点的数据包，且其与该相邻目标节点的当前确定位置相差D/2，则这两个已确定位置的目 标节点中较小位置的目标节点按照增大D/16进行位置修正，较大位置的目标节点按照减 小D/16进行位置修正。
全文摘要
本发明提供了一种用于井下环境的一维无线传感器网络定位方法，该方法在井下巷道中均匀部署锚节点，对锚节点和目标节点的发射功率进行不对称设置，目标节点通过判断当前链路个数和单/双向特征，从而划分自身存在的位置区间。此外，进一步探测相邻目标节点，对估计位置进行修正。本发明在锚节点密度一定情况下，简单有效的提高了目标节点的定位精度。
文档编号H04W84/18GK102076083SQ20101059239
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者江涛, 郭鹏 申请人:华中科技大学