无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法
【专利摘要】本发明涉及一种无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，所述网络包括多个静止的未知节点和一个移动的锚节点，其步骤包括：移动锚节点以恒定速度v移动，每隔时间间隔t，以此刻所在位置为圆心，R为通信半径，广播信标信息，信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID，移动锚节点的移动路径为正六边形，且R＝vt；未知节点不断监听、接收信标信息，若收到的三个信标位置可组成正三角形，且未知节点位于正三角形内，则未知节点通过三边测量法计算自身位置；当移动锚节点移动至网络区域边界处时，采用边界区域补偿方法保证边界未知节点可以收到至少三个不共线的信标位置。本发明定位精度高，网络成本低，且不易受环境影响。
【专利说明】无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方 法【技术领域】[0001]本发明属于无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感器网络中基于正六边形 的移动锚节点路径规划方法。【背景技术】[0002]近年来，随着无线通信和数字电子技术的发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)在环境监测、目标跟踪、智能交通等诸多领域得到了广泛的应用， 并且已得到政府部门、工业界、学术界和科研机构的极大关注。位置信息对WSNs的应用具 有至关重要的意义，有效而可靠的定位技术及其优化方法是WSNs技术走向实际应用必须 攻克的关键支撑技术。WSNs的定位算法主要分为两大类:基于锚节点和非基于锚节点的定 位算法，锚节点就是可以预先获取自身位置的节点，基于锚节点的定位算法用锚节点定位 未知节点，而非基于锚节点的定位算法主要计算节点间的相对位置。为了提高定位精度、节 约网络成本，比较实用的定位方法是利用一些移动锚节点，按照有效的规划路径移动，通过 发送包含自身坐标的信息来定位其他节点。移动锚节点路径规划问题可分为两类:静态路 径规划和动态路径规划。静态路径规划是指移动锚节点按照预先规划好的路径移动。动态 路径规划是指移动锚节点根据节点的分布情况动态规划移动锚节点路径。[0003]目前针对无线传感器网络路径规划的相关研究文献如下:[0004]1.Rui Huang 等在 2007 年的《In Proceeding of the Fifth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops)) 上发表的文章 “Static path planning for mobile beacons to localize sensor networks”提出两种锚节点移动路径:CIRCLES和S-⑶RVES，其目的在于减少锚节点辅助定 位过程中广播共线的位置信息。移动锚节点在移动过程中每隔一个周期广播其位置信息， 当未知节点收到三个非共线的信标信息时，就可以计算自身位置。这两种路径规划方法虽 然路径长度相对于其他路径规划算法较短，并且相应的节省网络能耗，但移动锚节点无法 到达监测区域边界，导致边缘节点接收不到足够的信标信息从而无法定位。[0005]2.Dimitrios Koutsonikolas 等在 2OO7 年的《Computer Communication))上发表 的文章“Path planning of mobile landmarks for localization in wireless sensor networks”中提出三种锚节点移动方法:Scan, Double Scan和Hilbert,其目的在于减少 网络成本，用一个移动锚节点替代多个静止的锚节点辅助未知节点定位。作者通过理论和 实验对比分析提出的三种路规划方法的优缺点，三种方法中Scan的移动路径最短，但其 沿y轴直线型的移动路径会造成未知节点接收到若干个共线的移动锚节点信标信号，尤其 当锚节点的通信半径过小，导致许多未知节点无法定位；Double Scan是在Scan的基础上 增加移动锚节点在X轴方向上移动路径，这种路径规划方法解决了信标信息共线问题，但 增加了移动锚节点的移动路径长度，导致了网络能耗增加；与Scan和Double Scan相比， Hilbert是一种能填充满一个平面正方形的分形曲线，这种移动路径在定位过程中，能够有效减少共线的信标信号，提高定位率，同时移动路径长度小于Double Scan。[0006]3.Hongjun Li 等在 2OO9 年的《Journal of Computer Research and Development》上发表的文章“Path Planning for Mobile Anchor Node in Localization for Wireless Sensor Networks”把图论引入到无线传感器网络节点定位系统中。把无线传感器网络看成一个连通的节点无向图，把路径规划问题转化为图的生成树及遍历问题， 提出两种动态路径规划算法:宽度优先算法和回溯式贪婪算法。相比静态路径规划，动态路径规划由未知节点的分布和位置情况来实时决定移动锚节点的路径，使得移动锚节点的移动更具灵活性，且节约网络能量，但是路径的长度和定位率两方面的问题还需要解决。
[0007]4.Huanqing Cui 等在 2Ol2 年的《Computers and Electrical Engineering))上发表的 “Four-mobile-beacon assisted localization in three-dimensional wireless sensor networks”中提出多锚节点组移动路径规划方法来定位三维空间中的未知节点，即四个移动锚节点构成正四面体按照RWP (random waypoint)移动模型和LAYERED-SCAN移动模型组移动来辅助定位空间中的未知节点。当未知节点接收到至少一组同时到达的三个或者四个信标信号时，可用加权质心算法计算出自身位置。当未知节点接收到的同时到达的信标信号小于三个时，未知节点无法定位。文章对比了四个移动锚节点和单个移动锚节点在RWP移动模型和LAYERED-SCAN移动模型下使用多边定位算法和加权质心定位算法的网络性能:即一跳范围内可定位的未知节点个数、定位精确度、计算和通信开销、路径长度。仿真结果表明四个移动锚节点采用LAYERED-SCAN移动模型及加权质心定位算法的网络性能最优。但是这样密集的网络遍历并不适用于稀疏部署的网络。
[0008]5.Chia-Ho Ou 等在 2013 年的《IEEE Sensors Journal》上发表的文章 “Path planning algorithm for mobile anchor-based localization in wireless sensor networks”中提出了一种移动锚节点路径规划方案，用于减少定位误差并且保证所有节点可以确定自身位置，同时提出了有障碍物情况下的移动锚节点路径规划算法。文章对Ssu 等人提出的基于初等几何中“弦的垂直平分线通过圆心”这一性质来定位未知节点的方案进行改进，即若移动锚节点经过未知节点感知范围内两次，则可以以未知节点所在位置为圆心，与感知范围边界的四个交点的连线为弦，形成两条交线，用于计算圆心即未知节点的位置。提出的移动锚节点路径规划算法可以有效解决过四个交点的直线形成的两条弦较短带来的较大定位误差的问题，保证两条弦的长度总是大于
【权利要求】
1.无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于:其步骤包括:(1)根据监测区域大小和应用需求，确定合适的移动锚节点通信半径R；(2)移动锚节点计算移动路径，并以恒定速度V移动，每隔时间间隔t以此刻所在位置为圆心，R为通信半径,广播信标信息，信标信息包括该时刻移动锚节点的位置和信标ID, 移动锚节点的移动路径为正六边形，且R = vt ；(3)未知节点不断监听、接收信标信息，用接收信号强度法测量到移动锚节点间的距离，若监测区域内的未知节点接收到的三个信标位置可组成正三角形，且未知节点位于正三角形内，则未知节点通过三边测量法计算自身位置；(4)当移动锚节点移动至监测区域边界处时，采用边界区域补偿方法保证边界未知节点可以接收到至少三个不共线的信标信息，即使移动锚节点以同样的速度沿圆形监测区域边界环绕一周，并以同样的时间间隔广播信标信息；若未知节点位于接收到的三个信标位置组成的三角形内，则以接收到的三个信标坐标的平均值作为未知节点的位置。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于，所述步骤(1)中移动锚节点的通信半径R的具体设定方法为:假设监测区域半径为RnrtwOTk，取合适的移动锚节点通信半径R，使得RnetwOTk = nR, η为正六边形的个数且为正整数。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于，所述的移动锚节点具有GPS定位装置，作为定位未知节点的信标节点，移动锚节点以R为通信半径，向其周围的未知节点广播包含其位置信息和自身ID的信标信息数据包。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于，所述的锚节移动点路径为正六边形，正六边形的边长以锚节点通信半径R 递增，即各正六边形分别内切于半径以R递增的同心圆，直至第η个正六边形路径内切于圆形监测区域。
5.根据权利要求3所述的无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于，每个正六边形都可以划分为若干个边长相等的正三角形，满足正三角形边长a等于锚节点通信半径R,即a = R = vt。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于，所述步骤(2)中移动锚节点路径计算方法具体为:移动锚节点初始时位于监测区域中心(?, %);以(χο，％)为原点，建立直角坐标系；移动锚节点从(χο，y。)出发，以速度V移动至,之后沿着边长为R的正六边形路径移动，每隔时间t发送一次信标信号，当移动锚节点 再次到达点(-|，f i?)时，向点处移动，之后沿着边长为2R的正六边形路径移动，每隔时间t发送一次信标信号，如此循环，使得每次正六边形路径的边长增加R，直至第η个正六边形路径内切于圆形监测区域。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于正六边形的移动锚节点路径规划方法，其特征在于，所述步骤(4)中锚节点边界区域补偿方法具体为:当移动锚节点第二次到达点
【文档编号】H04W84/18GK103607726SQ201310604565
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】张晨语, 韩光洁, 江旭, 钱爱华, 鲍娜, 沈家伟, 刘立 申请人:河海大学常州校区