用于分布式无线传感网络的节点定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网络领域，具体涉及一种用于分布式无线传感网络的节点定 位方法。
【背景技术】
[0002] 在大规模无线传感器网络应用中，位置信息在解析传感器数据，改善路由性能以 及目标跟踪等功能上起到关键作用。
[0003] 然而，受成本、功耗等问题的制约，网络中只有少数节点能配置如GPS接收器等定 位装置。因此，我们考虑使用分布式定位算法，节点只需与邻近节点进行测量和通信，就能 通过一定的计算方法得出自己坐标的估计值，从而大幅减少网络资源占用，充分使用本地 计算资源。
[0004] 例如公开号为101820676A的专利文献公开了一种传感器节点定位方法，包括： 在待定位节点处收集通信范围内各个信标节点的位置信息，以得到各个信标节点的位置信 息集；由待定位节点将所述位置信息集广播给所述各个信标节点；各个信标节点根据所述 位置信息集分别独立地运行粒子群算法，以分别得到对应的最优粒子位置信息；以及待定 位节点对最优粒子位置信息进行检测，以确定待定位节点的坐标位置。该方法可以显著减 少待定位节点的计算消耗。
[0005] 由于传感器成本较高等原因，相对于测距定位，使用到达角测量数据的设备价格 昂贵。而且由于存在测量误差，角度测量对噪声的鲁棒性比距离测量要更差。因此，研宄基 于距离信息的分布式定位算法，在无线传感器网络自身定位领域具有重大的应用意义。
[0006] 现有的使用重心坐标进行分布式定位算法，一般假设待定位节点是位于其邻居节 点的凸包内的。但在实际环境中，由于环境的异质性等原因，会出现节点无法落在邻居节点 凸包内的情形。面对这种情况，现有的基于重心坐标的分布式定位算法会出现无法收敛，甚 至无法正常执行的情况。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于分布式无线传感网络的节点定位方 法，该节点定位方法针对待定位节点不一定位于邻居节点凸包内的无线传感器网络，提出 了 一种新的分布式定位算法。
[0008] 在分布式信息交互的基础上，本发明使用的是可保证全局收敛的线性迭代算法， 相对于求最优的智能算法，进一步减少了计算量并且避免了局部最优的问题。
[0009] 针对现有的基于重心坐标分布式定位技术的空缺，本发明目的在于提供一种新的 分布式无线传感器网络的节点定位方法，能有效降低网络的通信量，适用于更多不同的网 络拓扑情形，而且收敛速度较快，收敛精度较高。
[0010] 一种用于分布式无线传感网络的节点定位方法，所述的分布式无线传感网络中的 传感器节点中包括锚节点和未知节点，锚节点上设有GPS定位装置，能够通过GPS进行自定 位，未知节点没有GPS定位，需要根据锚节点的位置关系进行定位。
[0011] 进行节点定位方法时，未知节点通过如下方法进行定位：
[0012] 步骤1 :针对每个未知节点确定该未知节点的邻居节点，并计算各个未知节点与 自身每个邻居节点的距离及距离权重；
【主权项】
1. 一种用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述的分布式无线传 感网络中的传感器节点中包括锚节点和未知节点，进行节点定位方法时，未知节点通过如 下方法进行定位： 步骤1:针对每个未知节点确定该未知节点的邻居节点，并计算各个未知节点与自身 每个邻居节点的距离及距离权重； 步骤2 :根据分布式无线传感网络所有未知节点与各个邻居节点的距离权重确定各个 未知节点的迭代步长； 步骤3:在设定的时间段内，从初始时刻所有传感器节点的位置开始，根据所有未知节 点与各个邻居节点的距离权重以及迭代步长对各个未知节点进行循环迭代定位，并以最后 一次迭代定位的结果作为各个未知节点最终的定位结果。
2. 如权利要求1所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 锚节点的个数大于或等于3,且小于总传感器节点数的25%。
3. 如权利要求1所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤1中通过如下方法确定未知节点的邻居节点： 所有传感器节点进行首次广播，若未知节点1能接收到传感器节点i发送的广播包，则 认为传感器节点i与未知节点1相邻，为的邻居节点。
4. 如权利要求3所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤1中，每个未知节点根据依据信号衰减原理根据接收到的广播包的强度衰减情况计算 其与各个邻居节点的距离。
5. 如权利要求1所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤1中，针对任意一个未知节点，判断所有与当前未知节点相邻的未知节点任意三个未 知节点是否互为邻居节点，若互为邻居节点，则利用如下方法计算当前未知节点与该三个 未知节点的中间距离权重： S1-1，计算中间距离权重的绝对值：
其中：i，j，k该该组中的未知节点的编号； SAijk、SAljk、SAlki、和SAlij为分别为由相应的传感器节点构建的三角形的面积，根据该 三角形中任意两个传感器节点的距离计算得到； S1-2,根据 〇ulaj+oulaj+olk|alk| = 1，其中 〇 u，〇u，〇 lk的绝对值为 1，分别以 0ii，0ij，0ik作为au、a"和alk的符号； Sl-3,针对任意一个与当前未知节点相邻的未知节点，计算所有当前未知节点与该未 知节点的中间距离权重的平均值，并作为未知节点1与该未知节点的距离权重。
6. 如权利要求5所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤2中，设定所有未知节点的迭代步长的取值范围为
，其中： M为系统矩阵，M根据所有未知节点的所有距离权重计算得到， 2为系统噪声协方差矩阵，2为由各个未知节点的噪声协方差平方组成的对角阵， 入_⑴表示求矩阵X的谱半径。
7. 如权利要求6所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤3中每次迭代定位时进行如下操作： S3-1，所有传感器节点将自身当前定位结果发送给自身的所有邻居节点； S3-2,每个未知节点根据接收到所有邻居节点前一次的定位结果后计算中间变量，且 针对与其相邻的每一个未知节点，将中间变量乘以自身与该未知节点的距离权重后作为加 权中间变量，发给该未知节点； S3-3,各个未知节点接收到与其相邻的未知节点的加权中间变量后计算本次迭代定位 的结果，其中未知节点1第k次迭代定位的结果负斤)啲根据如下公式：
其中，负(A- _ 1)为第k-1次的迭代定位结果； e为迭代步长； A4为与未知节点1的相邻的未知节点的集合； Si为与未知节点1相邻的未知节点i的噪声协方差； 为与未知节点1相邻的未知节点i的距离权重； L为与未知节点1接收到的来自于未知节点i的加权中间变量。 k为本次迭代计算的次数。
8. 如权利要求7所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤S3-1中： 对于锚节点，当前定位结果为当前GPS定位的结果，对于未知节点，当前定位结果为前 一次迭代定位计算的结果，若为第一次迭代定位计算，任意选择一个初始位置作为当前定 位结果； 前一次迭代定位计算得到的坐标估计值发送给所有节点邻居列表的邻居节点。
9. 如权利要求7所述的用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述 步骤S3-2中未知节点1根据如下公式计算中间变量n1:
其中，A4为未知节点1的邻居节点列表，秦与未知节点1相邻的未知节点i的前一次 迭代定位得到的结果，au为与未知节点1相邻的未知节点i的距离权重。
【专利摘要】本发明公开了一种用于分布式无线传感网络的节点定位方法，其特征在于，所述的分布式无线传感网络中的传感器节点中包括锚节点和未知节点，进行节点定位方法时：针对每个未知节点确定该未知节点的邻居节点，并计算各个未知节点与自身每个邻居节点的距离及距离权重；根据分布式无线传感网络所有未知节点与各个邻居节点的距离权重确定各未知节点的迭代步长；在设定的时间段内，从初始时刻所有传感器节点的位置开始，根据所有未知节点与各个邻居节点的距离权重以及迭代步长对各个未知节点进行循环迭代定位，并以最后一次迭代定位的结果作为各个未知节点最终的定位结果。本发明定位方法具有指数收敛性质，而且收敛速度较快，并且具有完全分布式的特点。
【IPC分类】H04W64-00, H04W84-18
【公开号】CN104581943
【申请号】CN201510020220
【发明人】林志赟, 林澈, 颜钢锋
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月15日