专利名称：一种对无线传感器网络中节点进行定位的方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种对无线传感器网络中节点进行定位的方法。
背景技术：
目前，无线传感器网络可应用于布线和电源供给困难、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和ー些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。由于它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、エ业、交通、环保等领域，特别是对于军事应用、目标追踪、环境监测、空间探索，无线传感器网络的优势越来越明显。
无线传感器网络的节点通常随机分布在不同的环境中执行各种监测任务，以自组织的方式相互协调工作，最常见的例子是用飞机将传感器节点布放到指定的区域中。对于大多数的无线传感器网络来说，不知道传感器节点的位置而感知的数据是没有意义的。节点的位置信息除用来报告事件发生的地点外，还可以实现目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹；协助路由，如直接利用节点位置信息进行数据传递的地理路由协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖情况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施等等。现有技术方案中，无线传感器网络的节点自身定位方法主要有两大类即基于测距的定位方法和无需测距的定位方法。基于测距的定位方法是通过节点配备额外测量设备来测量节点间点到点的距离或角度信息，从而计算出未知节点的位置信息，该类方法精度较高，但对节点的硬件要求很高，而且通常需要多次測量，循环求精，从而增加了计算开销和通信开销，所以这类方法虽然定位精度较高，但不适合低成本、低功耗的无线传感器网络；另一种无需测距的定位方法是利用无线通信跳数和互连性的免测距位置估计方法，这种免测量位置估计方法利用相对位置进行定位，节能性和扩展性好，但需要在网络密度很高时才能提供较好的定位精度，定位误差较大，无法有效提高节点定位的精确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种对无线传感器网络中节点进行定位的方法，能够在无需测距的情况下实现高精度的无线传感器网络节点定位，减小定位误差，提高定位精确度。本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种对无线传感器网络中节点进行定位的方法，所述无线传感器网络中的节点包括三个或三个以上已知节点位置信息的信标节点和若干个位置信息待测的未知节点，所述方法包括各个信标节点向其邻居节点广播自身位置信息的分组，所述分组具体包括跳数字段和各个信标节点自身的位置信息；接收到所述分组的节点记录自身到各个信标节点的最小跳数和各个信标节点的位置信息，同时记录邻居节点到各个信标节点的跳数情况，将该跳数的字段数值加1，并转发给所述邻居节点；各 个信标节点根据所记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，以及邻居节点的跳数，并结合当前无线传感器网络的网络參数，估算平均每跳距离，并广播估算結果；所述未知节点接收到估算的平均每跳距离后，根据所记录的距信标节点的最小跳数和邻居节点距同一信标节点的跳数，并结合自身的网络參数，估算自身到每个信标节点的距离；所述未知节点根据所估算得到的自身到每个信标节点的距离和所获得的各个信标节点的位置信息，计算获得该未知节点的位置信息。所述记录邻居节点到各个信标节点的跳数情況，具体包括记录邻居节点到各个信标节点存在的最小跳数，以及在每种跳数情况下的节点个数，并定义邻跳系数。所述网络參数为用来建立邻居节点跳数情况与未知节点和信标节点间距离关系的參数，具体包括在所述无线传感器网络进行节点定位前，依据该无线传感器网络的连接情况，对特定连接情况下网络中节点的平均每跳距离进行模拟和统计，从统计的结果中分析得到网络參数，并通过该无线传感器网络的网关发布到所述无线传感器网络的各个节点中。所述估算平均每跳距离，具体包括所述信标节点从其他各邻居信标节点与该信标节点间的跳数情况中提取位置信息，结合所记录的该信标节点到其他信标节点的位置信息和相距跳数估算平均每跳距离。所述估算自身到每个信标节点的距离，具体包括所述未知节点从邻居节点的跳数情况中提取与各个信标节点间的位置信息，得到该未知节点相对于各信标节点下的邻跳系数，再由提取到的跳数值和网络參数得到该未知节点相对于各信标节点的修正系数，并结合所记录的各个信标节点的位置信息和相距最小跳数对自身到所述各个信标节点的距离进行估计。由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述无线传感器网络中的节点包括三个或三个以上已知节点位置信息的信标节点和若干个位置信息待测的未知节点，所述方法包括各个信标节点向其邻居节点广播自身位置信息的分组，所述分组具体包括跳数字段和各个信标节点自身的位置信息；接收到所述分组的节点记录自身到各个信标节点的最小跳数和各个信标节点的位置信息，同时记录邻居节点到各个信标节点的跳数情况，将该跳数的字段数值加1，并转发给所述邻居节点；各个信标节点根据所记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，以及邻居节点的跳数，并结合当前无线传感器网络的网络參数，估算平均每跳距离，并广播估算结果；所述未知节点接收到估算的平均每跳距离后，根据所记录的距信标节点的最小跳数和邻居节点距同一信标节点的跳数，并结合自身的网络參数，估算自身到每个信标节点的距离；所述未知节点根据所估算得到的自身到每个信标节点的距离和所获得的各个信标节点的位置信息，计算获得该未知节点的位置信息。通过该方法就能够在无需测距的情况下实现高精度的无线传感器网络节点定位，减小定位误差，提高定位精确度。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。图I为本发明实施例所提供对无线传感器网络中节点进行定位的方法流程示意图；图2为本发明实施例所述节点位置与节点周围其他节点分布关系的示意图；图3为本发明所举具体实例中无线传感器网络定位示例的场景示意图。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。本发明所提出的方法是基于经典距离向量-跳段DV-Hop (distance vector-hop)定位机制所作出的改进，该距离向量-跳段定位机制类似于传统网络中的距离向量路由机制，未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，然后估计平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。下面将结合附图对本发明实施例作进ー步地详细描述，所述无线传感器网络中的节点包括三个或三个以上已知节点位置信息的信标节点和若干个位置信息待测的未知节点，如图I所示为本发明实施例所提供对无线传感器网络中节点进行定位的方法流程示意图，所述方法包括步骤11 :各个信标节点向其邻居节点广播自身位置信息的分组，所述分组具体包括跳数字段和各个信标节点自身的位置信息。步骤12 :接收到所述分组的节点记录自身到各个信标节点的最小跳数和各个信标节点的位置信息，同时记录邻居节点到各个信标节点的跳数情况，将该跳数的字段数值加1，并转发给所述邻居节点。在具体实现中，所述记录邻居节点到各个信标节点的跳数情况具体包括记录邻居节点到各个信标节点存在的最小跳数，以及在每种跳数情况下的节点个数，具体可以通过以下方法来记录和表示邻居节点到各个信标节点的跳数情況I、正常情况下，η跳节点的通信范围内只可能存在η-i跳(若η = 1，则η_1 = O跳节点指代信标节点)、η跳和η+1跳节点，其中η-i跳节点数至少为I。2、如附图2所示为节点位置与节点周围其他节点分布关系的示意图，图2中如果ー个η跳节点越接近信标节点，那么在他的通信范围内的η-i跳节点数会相应的增加，而η+1跳节点会相应的減少。如图2中的两个2跳节点，左侧的节点位于2跳节点和3跳节点的边缘，相对更加远离信标节点(图中心)，因此有更大的概率靠近更多的3跳节点；而右侧的2跳节点位于I跳节点和2跳节点的边缘，相对更加靠近信标节点，因此有更大的概率靠近更多的I跳节点。左侧2跳节点，在其通信范围内有约14个3跳节点和I个I跳节点；而右侧的2跳节点，在其通信范围内有约I个3跳节点和10个I跳节点。因此，一个节点通信范围内其他节点距信标节点的跳数分布，对这个节点与信标节点之间的距离估计有着一定的指示作用。3、定义邻跳系数，该邻跳系数是与节点通信范围内不同跳数节点数量的比值相关的，不同的邻跳系数会对距离估计产生影响，邻跳系数越小的节点概率上距离信标节点越远，同时节点间平均每跳距离跟邻跳系数也存在着联系，因此计算出邻跳系数能更准确地估算出节点间的距离，这里假设节点A距某信标节点S的最短跳数为n，在其通信范围内，存在距相同信标节点S的最短跳数为η+1的节点Νη+1个；最短跳数为n-Ι的节点Nlri个，则节点A的邻跳系数P j·为P r = NnVNlri (I)从而P r e
。下文中除特别说明外，邻跳系数(P )均指代指数形式的邻跳系数。步骤13 :各个信标节点根据所记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，以及邻居节点的跳数，并结合当前无线传感器网络的网络參数，估算平均每跳距离，并广播估算结果。 在具体实现中，上述网络參数为用来建立邻居节点跳数情况与未知节点和信标节点间距离关系的參数，具体包括在所述无线传感器网络进行节点定位前，依据该无线传感器网络的连接情況，使用计算机等工具对特定连接情况下网络中节点的平均每跳距离进行模拟和统计，从统计的结果中分析得到网络參数，并通过该无线传感器网络的网关发布到所述无线传感器网络的各个节点中。具体实现中，可以全网络使用统ー的网络參数，也可根据局部连接度情况，各节点使用不同的网络參数。具体来说，所需的网络參数在特定网络连接度、不同的节点跳数条件下，可以通过统计邻跳系数下的平均每跳距离获得；对统计结果使用最小二乗法，对跳数η = 2 5的情况，分别求得最佳拟合的直线的斜率ΚΝ, η和截距An, η，其中N代表网络连接度，η代表跳数，这里的斜率ΚΝ,η和截距An,η即是本发明实施例中所述的网络參数。这里的网络參数可以统计到理论上所有可能的跳数，也可以设置未知节点仅利用X跳以内的信标节点进行定位，在这种设置下，还可以通过在洪泛中添加生存周期为x+1，来限制洪泛的范围为x+1跳，从而满足X跳以内节点的相邻节点跳数信息的获得，此时的网络參数只需要包含跳数小于等于X的情況。在具体实现中，跳数的具体限制可以依据实际条件(如网络大小、网络通信流量、定位精度、传感器存储容量、计算复杂度等)而定。在该步骤中，估算平均每跳距离的方法为所述信标节点根据其他各信标节点的邻居节点跳数情况提取与该各信标节点的位置信息，得到其他各信标节点相对于所述信标节点的邻跳系数，再由提取到的跳数值和网络參数得到其他各信标节点相对于所述信标节点的修正系数，再结合所记录的该信标节点到其他信标节点的位置信息和相距跳数估算平均每跳距离，具体包括I、首先计算对应跳数和邻跳系数的修正系数，修正系数Dij定义如下式(3)。
Dij = KN,n · P +An,n (3)特别的，对于I跳节点来说，修正系数D随邻跳系数P的变化不大，即斜率K近似为I。因此本发明实施例中I跳节点不根据邻跳系数来计算修正系数，而是使用公式(4)近似的计算修正系数Dij = ANa (4)2、每个信标节点根据所记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，利用下式估计平均每跳距离
Σ(λ/(Χ! _χ；) + (ス._)2 ZDfi)HopSizei =—-—-LhJ
め.(5)式中(Xi, Yi)，(xj, Yj)是信标节点i, j的坐标，hj是信标节点i与j (i关j)之间的跳段数，Dji表示信标节点j相对于信标节点i的在邻跳系数下的修正系数。步骤14 :所述未知节点接收到估算的平均每跳距离后，根据所记录的距信标节点的最小跳数和邻居节点距同一信标节点的跳数，并结合自身的网络參数，估算自身到每个信标节点的距离；在该步骤中，所述估算自身到每个信标节点的距离具体为所述未知节点从邻居节点的跳数情况中提取与各个信标节点间的位置信息，得到未知节点相对于各信标节点下的邻跳系数，再由提取到的跳数值和网络參数得到该未知节点相对于各信标节点的修正系数，结合所记录的各个信标节点的位置信息和相距最小跳数对自身到所述各个信标节点的距离进行估计，具体可以通过以下方法估算自身到信标节点的距离I、首先所述未知节点j收到平均每跳距离后，先利用步骤12中记录的邻居节点对于信标节点i的跳数情况通过公式(3) (4)计算修正系数，再利用步骤12中记录的自身到各个信标节点i的最小跳数，通过公式(6)估算自身相距各个信标节点的距离，未知节点j距信标节点i的估计距离(Iji为Clji = HopSizei · Iii · Dji (6)式中Iii是节点j与信标节点i之间的跳段数,Dji表示节点j相对于信标节点i的修正系数。步骤15 :所述未知节点根据所估算得到的自身到每个信标节点的距离和所获得的各个信标节点的位置信息，计算获得该未知节点的位置信息。在该步骤中，所述计算获得该未知节点的位置信息具体可以采用三边测量法，这种方法是最常见的，还可以采用极大似然估计法计算，下面进行详细介绍三边测量法在所有相关联的信标节点中合理选取三个信标节点A，B, C，其位置坐标为(Xl，Y1)、(x2, J2)、(X3，1 )，以及由上述方法得出的到未知节点D的距离分别为も、d2、d3，假设未知节点坐标为(X，y)，那么可以建立方程如下所示
权利要求
1.一种对无线传感器网络中节点进行定位的方法，所述无线传感器网络中的节点包括三个或三个以上已知节点位置信息的信标节点和若干个位置信息待测的未知节点，其特征在于，所述方法包括 各个信标节点向其邻居节点广播自身位置信息的分组，所述分组具体包括跳数字段和各个信标节点自身的位置信息； 接收到所述分组的节点记录自身到各个信标节点的最小跳数和各个信标节点的位置信息，同时记录邻居节点到各个信标节点的跳数情况，将该跳数的字段数值加1，并转发给所述邻居节点； 各个信标节点根据所记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，以及邻居节点的跳数，并结合当前无线传感器网络的网络參数，估算平均每跳距离，并广播估算結果； 所述未知节点接收到估算的平均每跳距离后，根据所记录的距信标节点的最小跳数和邻居节点距同一信标节点的跳数，并结合自身的网络參数，估算自身到每个信标节点的距离； 所述未知节点根据所估算得到的自身到每个信标节点的距离和所获得的各个信标节点的位置信息，计算获得该未知节点的位置信息。
2.如权利要求I所述的对无线传感器网络中节点进行定位的方法，其特征在于，所述记录邻居节点到各个信标节点的跳数情況，具体包括 记录邻居节点到各个信标节点存在的最小跳数，以及在每种跳数情况下的节点个数，并定义邻跳系数。
3.如权利要求I所述的对无线传感器网络中节点进行定位的方法，其特征在于，所述网络參数为用来建立邻居节点跳数情况与未知节点和信标节点间距离关系的參数，具体包括 在所述无线传感器网络进行节点定位前，依据该无线传感器网络的连接情况，对特定连接情况下网络中节点的平均每跳距离进行模拟和统计，从统计的结果中分析得到网络參数，并通过该无线传感器网络的网关发布到所述无线传感器网络的各个节点中。
4.如权利要求I所述的对无线传感器网络中节点进行定位的方法，其特征在于，所述估算平均每跳距离，具体包括 所述信标节点从其他各邻居信标节点与该信标节点间的跳数情况中提取位置信息，结合所记录的该信标节点到其他信标节点的位置信息和相距跳数估算平均每跳距离。
5.如权利要求I所述的对无线传感器网络中节点进行定位的方法，其特征在于，所述估算自身到每个信标节点的距离，具体包括 所述未知节点从邻居节点的跳数情况中提取与各个信标节点间的位置信息，得到该未知节点相对于各信标节点下的邻跳系数，再由提取到的跳数值和网络參数得到该未知节点相对于各信标节点的修正系数，并结合所记录的各个信标节点的位置信息和相距最小跳数对自身到所述各个信标节点的距离进行估计。
全文摘要
本发明公开了一种对无线传感器网络中节点进行定位的方法。所述无线传感器网络中的节点包括三个或三个以上已知节点位置信息的信标节点和若干个位置信息待测的未知节点，所述方法包括各个信标节点向其邻居节点广播自身位置信息的分组；接收到所述分组的节点记录自身到各个信标节点的最小跳数和各个信标节点的位置信息；各个信标节点估算平均每跳距离；所述未知节点估算自身到每个信标节点的距离，并根据所估算得到的自身到每个信标节点的距离和所获得的各个信标节点的位置信息，计算获得该未知节点的位置信息。通过该方法就能够在无需测距的情况下实现高精度的无线传感器网络节点定位，减小定位误差，提高定位精确度。
文档编号H04W64/00GK102665277SQ20121012774
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者刘达, 叶秀兰, 康桂艳 申请人:江阴普适惠通科技有限公司