专利名称：一种用于无线传感器网络的定位方法
技术领域：
本发明涉及无线通信定位技术领域，具体涉及具有自组织特征的无线传感器网络(WSN)中的节点自身定位方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)、无线通信和数字电子技术的进步孕育了无线传感器网络。通过部署大量传感器节点至目标区域，WSN将改变我们与客观世界的交互方式。对于许多无线传感器网络的应用，如森林火灾预警、水质检测等，节点的位置信息显得至关重要，因为没有位置信息，这些节点采集的监测数据将变得毫无意义。根据定位过程中是否使用了距离信息，定位算法被分为基于测距的(Range-Based)定位算法和距离无关的(Range-Free)定位算法。Range-Based定位算法主要包括RSSI、T0A、TD0A和AOA。Range-Based定位机制大体上可以获得比较高的定位精度，但要求节点需要额外的硬件，增大了节点的成本和功耗。同时NL0S(Non Line of Sight),多径衰落等因素也会影响Range-Based定位机制的精度。所以，Range-Based定位机制虽然在定位精度上有可取之处，但并不适用于低功耗、低成本的应用领域。Range-Free定位算法主要包括质心算法、DV-Hop、凸规划、Amorphous、MDS-MAP和APIT。质心算法思想较为简单，算法的通信开销较小，定位精度较低，要获得较高的定位精度必须提高信标节点的密度。DV-Hop定位算法依赖于节点之间的信标信息交换来实现定位估算，对节点硬件要求低，实现简单，其缺点在于利用跳段距离代替直线距离存在一定的误差。凸规划是一种集中式定位算法，要求信标节点必须部署在网络的边缘。相对于DV-Hop算法，Amorphous定位算法利用节点的通信半径作为平均每跳段的距离，定位误差增大，改进的Amorphous定位算法需要预先知道网络的平均连通度，因此网络的扩展性差，对锚节点的密度要求高。MDS-MAP算法适用于网络连通度较大的网络，对锚节点密度要求低，但该算法计算量大，耗能多，当节点连通度较小的时候，算法定位误差急剧增大。在无线信号传播模式不规则和节点随机布置的情况下，APIT算法定位精度高，性能稳定，但对网络连通度提出比较高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述诸多技术的缺点，在不增加额外硬设备的前提下，充分挖掘节点所处的局部环境的拓扑信息，利用邻居节点的跳数信息以及参考节点的辅助计算，提供了一种定位精度高、成本低的用于无线传感器网络的定位方法。本发明的目的通过如下技术方案实现一种用于无线传感器网络的定位方法，该方法中，信标节点和未知节点随机均勻分布在区域中，所有节点可知各信标节点的位置以及到各信标节点的跳数；记未知节点为U，未知节点u选择离自己最近的信标节点作为参考节点，该参考节点记为j，任意选择除j之外的一个信标节点，记为i，根据参考节点j的邻居节点到信标节点i的跳数的不同，参考节点j的邻居节点分为三类n-l跳节点，η跳节点，η+1跳节点，其中η是参考节点j到信标节点i的跳数；这三类节点又将参考节点j的通信范围分为三个区域n-l跳区域，η跳区域，η+1跳区域，三个区域的面积与这三类节点的个数成正比；根据未知节点u的邻居节点到信标节点i的跳数的不同，未知节点u的邻居节点也分为三类h_l跳节点，h跳节点，h+Ι跳节点，其中h是未知节点u到信标节点i的跳数；这三类节点又将未知节点u的通信范围分为三个区域h-l跳区域，h跳区域，h+Ι跳区域，三个区域的面积与这三类节点的个数成正比；由两圆相交区域的面积计算公式以及n-1跳区域面积，η跳区域面积，η+1跳区域面积计算出n-1跳区域，η跳区域，η+1跳区域间的边界；通过分析信标节点i到η跳区域的距离的概率密度函数计算出信标节点i到η跳区域的平均距离；然后由n-1跳区域，η跳区域，η+1跳区域之间的边界值计算出平均每跳距离，进而由平均每跳距离、η值、h值以及信标节点i到η跳区域的平均距离计算出信标节点i到h跳区域的平均距离；以信标节点i到h跳区域的平均距离作为初始值，使用二分法迭代计算出信标节点i到未知节点u的精确距离。使用上述方法求得未知节点u到其他信标节点的距离，当求得未知节点u到三个或三个以上信标节点的距离之后，通过解超定方程就可以计算出未知节点u的位置。上述方法中，n-1跳区域、η跳区域、η+1跳区域的面积Bn+ Bn, Βη+1计算公式分别为
权利要求
1.一种用于无线传感器网络的定位方法，其特征在于信标节点和未知节点随机均勻分布在区域中，所有节点可知各信标节点的位置以及到各信标节点的跳数；记未知节点为u，未知节点u选择离自己最近的信标节点作为参考节点，该参考节点记为j，任意选择除j之外的一个信标节点，记为i，根据参考节点j的邻居节点到信标节点i的跳数的不同，参考节点j的邻居节点分为三类n-l跳节点，η跳节点，η+1跳节点，其中η是参考节点j到信标节点i的跳数；这三类节点又将参考节点j的通信范围分为三个区域n-l跳区域，η跳区域，η+1跳区域，三个区域的面积与这三类节点的个数成正比；根据未知节点u的邻居节点到信标节点i的跳数的不同，未知节点u的邻居节点也分为三类h-l跳节点，h跳节点，h+1跳节点，其中h是未知节点u到信标节点i的跳数；这三类节点又将未知节点u的通信范围分为三个区域h-l跳区域，h跳区域，h+Ι跳区域，三个区域的面积与这三类节点的个数成正比；由两圆相交区域的面积计算公式以及n-1跳区域面积、η跳区域面积、η+1跳区域面积计算出n-1跳区域、η跳区域和η+1跳区域间的边界；通过分析信标节点i到η跳区域的距离的概率密度函数计算出信标节点i到η跳区域的平均距离；然后由n-1跳区域，η跳区域，η+1跳区域之间的边界值计算出平均每跳距离，进而由平均每跳距离、η值、h值以及信标节点i到η跳区域的平均距离计算出信标节点i到h跳区域的平均距离；以信标节点i到h跳区域的平均距离作为初始值，使用二分法迭代计算出信标节点i到未知节点u的精确距离；使用上述步骤求得未知节点u到其他信标节点的距离，当求得未知节点u到三个或三个以上信标节点的距离之后，通过解超定方程就可以计算出未知节点u的位置。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的定位方法，其特征在于，n-1跳区域、η跳区域、η+1跳区域的面积By、Βη、Βη+1计算公式分别为
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的定位方法，其特征在于，信标节点i到η跳区域的平均距离的计算方法如下假设信标节点i到η跳区域内某个节点的距离为L，L是个随机值，任意给定一个距离参考值1，设η跳区域处于1范围内的区域的面积是Bin，则L小于1的概率由下式求得
4.根据权利要求1 3任一项所述的无线传感器网络的定位方法，其特征在于，h-Ι跳区域、h跳区域、h+Ι跳区域的面积AnYApAlri计算公式分别为
全文摘要
本发明公开一种用于无线传感器网络的定位方法，该方法包括信标节点和未知节点随机均匀分布在区域中，所有节点获得各信标节点的位置以及到各信标节点的跳数后，未知节点选择最近的信标节点为参考节点；根据参考节点的邻居节点到某信标节点的跳数信息，以及未知节点的邻居节点到该信标节点的跳数信息，计算出信标节点到未知节点所在区域的平均距离；使用二分迭代法计算出信标节点到未知节点的距离。获得未知节点到三个以上信标节点的距离后就能确定未知节点的位置。本发明充分利用节点的邻居节点的跳数信息，建立信标节点到未知节点的距离与信标节点到未知节点所在区域的平均距离之间的关系；在不增加硬件设备的情况下，极大地提高了定位精度。
文档编号H04W64/00GK102395193SQ20111017997
公开日2012年3月28日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者张新平, 胡斌杰 申请人:华南理工大学