无线传感器网络的节点定位方法、装置及介质

本发明属于无线通信和信息传播，更具体地，涉及一种无线传感器网络的节点定位方法、装置及介质。

背景技术：

1、无线传感器网络(wireless sensor network，wsn)的节点定位一直都受到了研究人员的高度重视，特别是在空间复杂背景下，节点的定位效果是决定无线传感器网络成败的一个重要因素。定位(localization)技术是将wsn理论推广到实际应用中的一项重要支撑技术，也是wsn实现其预定目标的基础。wsn在实际探测范围内，若不能为探测范围内的目标提供准确的定位，则会造成探测范围不清、探测结果不准确等问题。

2、定位技术是无线传感器网络关键技术之一。根据定位过程中是否需要测量实际节点间的距离，定位算法可分为基于测距的定位算法和非测距定位算法。非测距定位方案具有能耗少、硬件成本低、抗测量噪声能力强、定位精度高等优点，得到关注和广泛应用。dv-hop算法是一种基于跳数测距的无线传感器网络定位算法，在实际定位中得到了广泛的研究和应用。该算法假定网络连通度高，在各向同性的密集网络环境中获得较好的定位效果，但在节点随机分布的网络环境中，由于平均跳距误差大、用直线路径代替实际路径等原因，存在定位误差大的问题。所以研究dv-hop算法中直线路径代替实际路径带来较大定位误差的问题，提高定位精度，是十分有必要的。

技术实现思路

1、提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种无线传感器网络的节点定位方法、装置及介质，本发明是一种无线传感网络中在不增加额外设备情况下，有效提高dv-hop算法的定位精度的技术，首先，通过利用单倍通信半径统计相邻节点数比值替代相交重叠面积，再利用面积和距离的几何关系求解出单跳跳段的估算距离。其次，节点短暂的开启两倍通信半径，通过利用两倍通信半径统计相邻节点数比值替代相交重叠面积，再利用面积和距离的几何关系求解出二、三跳跳段的估算距离，最后利用三跳跳段的几何形状修正四跳及以上的跳段估算距离。本发明能够解决非测距算法中节点拓扑路径不是直线，而是折线路径的问题，有效地提高节点的定位精度。

2、根据本发明的第一方案，提供了一种无线传感器网络的节点定位方法，所述方法包括：

3、在一倍通信半径中，获取节点间最小跳数，根据所述节点间最小跳数，估计两相邻节点间的节点数，并根据相邻节点间的节点数来估计面积，得到一跳跳段的估计距离；

4、在二倍通信半径中，根据相邻节点两跳和三跳内的节点数，确定二跳和三跳内的估计距离；

5、根据一跳跳段、二跳跳段以及三跳跳段的距离，判断三跳的路径结构；

6、根据判断的三跳的路径结构，估计四跳跳段的路径结构，根据四跳跳段的路径结构计算四跳跳段的距离；

7、合并在先的跳数转化为四跳的路径结构不断地进行迭代，计算出n跳跳段的距离，其中n＞4；

8、根据一跳跳段、二跳跳段、三跳跳段、四跳跳段和/或n跳跳段的距离，利用最小二乘法估计未知节点的坐标。

9、进一步地，所述在一倍通信半径中，获取节点间最小跳数，根据所述节点间最小跳数，估计两相邻节点间的节点数，并根据相邻节点间的节点数来估计面积，得到一跳跳段的估计距离，具体包括：

10、根据节点数，通过如下公式估算交重叠部分区域的面积：

11、

12、

13、式中，noi和noj分别表示节点i和节点j的单跳节点计数，noij是交叉点区域中的节点计数，为节点i的相交部分面积，为节点j的相交部分面积；

14、通过如下公式估算相交区域的面积：

15、

16、基于估算出的相交区域的面积替代实际的面积，通过如下公式求解dij：

17、

18、式中i和j为相邻节点，sij为i与j的通信范围的交叉区域，dij为i与j的距离，r为通信半径。

19、进一步地，所述在二倍通信半径中，根据相邻节点两跳和三跳内的节点数，确定二跳和三跳内的估计距离，具体包括：

20、短暂开启高功耗的两倍通信半径，利用节点数通过如下公式来估算相交重叠部分区域的面积：

21、

22、

23、式中，noi和noj分别表示节点i和节点j的单跳节点计数，noij是交叉点区域中的节点计数，为节点i的相交部分面积，为节点j的相交部分面积。

24、通过如下公式估算相交区域的面积：

25、

26、基于估算出的相交区域的面积替代实际的面积，通过如下公式求解dij：

27、

28、式中i和j为二、三跳的相邻节点，sij为i与j的两倍通信范围的交叉区域，dij为i与j的距离，r为两倍通信半径。

29、进一步地，所述三跳的路径结构有两种形式，分别为“u”型结构或“s”型结构，所述根据一跳跳段、二跳跳段以及三跳跳段的距离，通过如下公式判断三跳的路径结构：

30、p2q2(a2+b2+c2+d2-p2-q2)-(a2-b2+c2-d2)(a2c2-b2d2)

31、-p2(a2-d2)(b2-c2)+q2(a2-b2)(c2-d2)＝0.

32、式中，a，b，c，d为构成四边形的边长，p，q为构成四边形的对角线。

33、进一步地，所述根据判断的三跳的路径结构，估计四跳跳段的路径结构，根据四跳跳段的路径结构计算四跳跳段的距离，具体包括：

34、通过三跳路径构成的“u”结构或“s”型结构得到四跳跳段构成的四边形，计算四跳跳段的距离如下式：

35、b2d2+[q2(a2-b2)-p2q2-a2c2-(a2-b2+c2)b2-p2(b2-c2)]d+p2a2(b2-c2)+

36、(a2-b2+c2)a2c2-q2c2(a2-b2)-p2q2(a2+b2+c2-p2-q2)＝0

37、b2＝a

38、[q2(a2-b2)-p2q2-a2c2-(a2-b2+c2)b2-p2(b2-c2)]＝b

39、p2a2(b2-c2)+(a2-b2+c2)a2c2-q2c2(a2-b2)-p2q2(a2+b2+c2-p2-q2)＝γ

40、

41、式中，a，b，c，d为构成四边形的边长，p，q为构成四边形的对角线，d为四跳跳段的估算距离。

42、根据本发明的第二技术方案，提供一种无线传感器网络的节点定位装置，所述装置包括：

43、第一估算模块，被配置为在一倍通信半径中，获取节点间最小跳数，根据所述节点间最小跳数，估计两相邻节点间的节点数，并根据相邻节点间的节点数来估计面积，得到一跳跳段的估计距离；

44、第二估算模块，被配置为在二倍通信半径中，根据相邻节点两跳和三跳内的节点数，确定二跳和三跳内的估计距离；

45、路径判断模块，被配置为根据一跳跳段、二跳跳段以及三跳跳段的距离，判断三跳的路径结构；

46、第三估算模块，被配置为根据判断的三跳的路径结构，估计四跳跳段的路径结构，根据四跳跳段的路径结构计算四跳跳段的距离；

47、第四估算模块，被配置为合并在先的跳数转化为四跳的路径结构不断地进行迭代，计算出n跳跳段的距离，其中n＞4；

48、坐标估算模块，被配置为根据一跳跳段、二跳跳段、三跳跳段、四跳跳段和/或n跳跳段的距离，利用最小二乘法估计未知节点的坐标。

49、进一步地，所述第一估算模块被进一步配置为：

50、根据节点数，通过如下公式估算交重叠部分区域的面积：

51、

52、

53、式中，noi和noj分别表示节点i和节点j的单跳节点计数，noij是交叉点区域中的节点计数，为节点i的相交部分面积，为节点j的相交部分面积；

54、通过如下公式估算相交区域的面积：

55、

56、基于估算出的相交区域的面积替代实际的面积，通过如下公式求解dij：

57、

58、式中i和j为相邻节点，sij为i与j的通信范围的交叉区域，dij为i与j的距离，r为通信半径。

59、进一步地，所述第二估算模块被进一步配置为：

60、短暂开启高功耗的两倍通信半径，利用节点数通过如下公式来估算相交重叠部分区域的面积：

61、

62、

63、式中，noi和noj分别表示节点i和节点j的单跳节点计数，noij是交叉点区域中的节点计数，为节点i的相交部分面积，为节点j的相交部分面积；

64、通过如下公式估算相交区域的面积：

65、

66、基于估算出的相交区域的面积替代实际的面积，通过如下公式求解dij：：

67、

68、式中i和j为二、三跳的相邻节点，sij为i与j的两倍通信范围的交叉区域，dij为i与j的距离，r为两倍通信半径。

69、进一步地，所述路径判断模块被进一步配置为：

70、根据一跳跳段、二跳跳段以及三跳跳段的距离，通过如下公式判断三跳的路径结构：

71、p2q2(a2+b2+c2+d2-p2-q2)-(a2-b2+c2-d2)(a2c2-b2d2)

72、-p2(a2-d2)(b2-c2)+q2(a2-b2)(c2-d2)＝0.

73、式中，a，b，c，d为构成四边形的边长，p，q为构成四边形的对角线。

74、根据本发明的第三技术方案，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的方法。

75、本发明至少具有以下有益效果：

76、无需测距算法中折线路径弯折所带来的误差是一直急需解决的，本发明不同于以往的改进技术，从单跳到多跳路径的误差都得到有效解决，提高了节点的定位精度。一系列仿真研究表明，本发明所提出的跳段直线距离估计的方法精度要优于原型dv-hop算法以及改进的连续跳数优化算法。本发明可实现对节点分布稀疏与密集不同情况下，都能利用节点数比替代面积求解出跳段的估算距离，单跳到多跳的距离估计都具有高精度。有益效果是：本发明利用仅有的节点个数信息就可实现节点间直线距离的估算，解决了不同跳数拓扑折线路径带来误差的问题。