[发明专利]基于超宽带的无线传感器网络节点定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及超宽带(UWB)技术与无线传感器网络节点定位技术，具体是一种基于超宽带的无线传感器网络节点定位方法。

背景技术

节点的准确定位是无线传感器网络应用的重要条件。获得节点位置的一个直接想法是使用全球定位系统(GPS)来实现，但是在无线传感器网络中使用GPS来获得所有节点的位置受到价格、体积、功耗等因素限制，存在着一些困难，另外GPS也很难应用于室内无线传感器网络。根据定位机制，可将现有的无线传感器网络自身定位算法分为两类：Range-based和Range-free，即基于测距技术的定位算法和无需测距的定位算法。前者通过测量节点间点到点的距离或者角度信息，使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算节点位置；后者无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息实现。无需测距定位机制在成本、功耗等方面具有优势，但精度较低，主要算法包括质心算法、凸规划算法、DV-Hop、Amorphous、MDS-MAP和APIT算法等。

超宽带(UWB)通信技术是一种非传统的、新颖的无线传输技术，它通常采用极窄脉冲或极宽的频谱传送信息。相对于传统的正弦载波通信系统，UWB无线通信系统具有高传输速率、高空间频谱效率、高测距精度、低截获概率、抗多径干扰等诸多优点。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于超宽带的无线传感器网络节点定位方法，它结合了超宽带抗多径与干扰能力强、抗截获性好等优点，具有定位成本低、高精度、灵活性大等特点。

本发明提供的这种基于超宽带的无线传感器网络节点定位方法，利用超宽带作为传感器节点的底层无线通信介质，在无线传感节点与邻节点进行通信时，通过正常的数据包收发测得节点对之间的无线信号强度指示值，采用非度量多维标度技术，直接利用节点间的无线信号强度指示值来进行定位，其中定位算法分为三个阶段：以簇为单位的局部相对坐标图定位阶段、局部相对坐标图合并为全局相对坐标图阶段和相对坐标图到绝对坐标图的转换阶段。

进一步，其中局部相对坐标图定位阶段在节点上完成，一个簇包含的范围是该节点的一跳邻居节点，步骤包括：

1)在网络的边界处设定若干节点作为路由的终止节点，由sink节点作为始发节点发起洪泛路由，当碰到终止节点时，该方向上的洪泛结束，由此找到若干条由sink节点到终止节点的路由；

2)包含在每条始发节点到终节点路由上的每个节点分别以它自己为簇的簇首节点，依次加入它的一跳邻居节点进簇；

3)收集簇中各节点对之间的无线信号强度指示值构成稀疏矩阵，如果两个节点的距离超过节点无线通信半径，则对应的值为0；

4)由于簇中的一跳邻居节点不能保证都互相连通，因此利用最短路径算法求得簇中每个节点对之间的信号强度值来构造非度量多维标度中的相似性矩阵；

5)该路由上的每个节点以它自己为簇首，以簇为单位，分别用非度量多维标度计算出簇中包含的所有节点的相对坐标，即为簇局部相对坐标图；

进一步，其中局部相对坐标图合并为全局相对坐标图阶段是将计算出来的簇局部相对坐标图传到sink节点，由与sink节点相连的计算机对其进行合并处理。局部相对坐标图合并为全局相对坐标图时，首先选择一个包含节点最多的簇为起点，作为当前全局图。接下来，每次合并时优先选择与当前全局图的公共节点数最多的簇局部相对坐标图合并，把合并后的图再作为当前全局图，不断合并，直到当前全局图中已包含了所有节点。

进一步，其中合并处理是基于公共节点进行，采用最优线性转换，实现公共节点从一个图到另一个图的变换，公共节点在局图A和局图B中的坐标矩阵分别为X_A和X_B，确定从X_B到X_A的最优线性转换是使得转换前后的差别最小，即满足min_Q‖Q(X_B)-X_A‖²，其中Q为线性转换函数；

进一步，其中合并处理中基于公共节点进行合并时，确定节点X在合并后的新图中的坐标采用以下原则：如果X在图A中而不在图B中，取它在图A的坐标X_A；如果X在图B中而不在图A中，取它转换后的坐标Q(X_B)；如果X为图A和图B的公共节点，取它在图A的坐标X_A与它转换后的坐标Q(X_B)两者的平均值。