[发明专利]一种无线传感器网络节点定位方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络节点定位方法，特别是涉及一种距离无关的无线传感器网络定位方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)被认为21世纪最有影响力的、改变世界的10大技术之一。它是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。

通过部署大量传感器节点至目标区域，WSN将改变我们与客观世界的交互方式。从军事应用、目标追踪、环境检测到空间探索，WSN的未来应用将超出我们的想象力。但是对于大多数的WSN应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化无线传感器网络在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询、拥塞处理、网络覆盖率检查等。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，如在室内由于受到建筑物的阻挡其定位性能并不理想，因此必须采用一定的机制与算法实现节点的自身定位。

在无线传感器网络定位技术中，根据定位过程中是否测量实际节点间的距离，可分为基于距离(range-based)的定位方法和距离无关(range-free)的定位方法。距离无关定位方法无需测量节点间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点位置。距离无关的定位方法主要有质心方法、APIT方法、DV-Hop方法、Amorphous方法等。

质心方法是南加州大学的Nirupama Bulusu等提出的一种仅基于网络连通性的室外定位方法。质心方法中，信标节点周期性地向邻近节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息。当未知节点接收到来自不同信标节点的信标分组数量超过某一门限或接收一定时间后，就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的质心。质心算法完全基于网络连通性，无需参考节点和未知节点间协调，因此比较简单，容易实现。显然，该算法仅能实现粗粒度定位，需要较高的参考节点密度，在定位精度上不是非常令人满意。

DV-Hop方法由3个阶段组成。首先使用典型的距离矢量交换协议，使网络中所有节点获得距信标节点的跳数(distance in hops)。第2阶段，在获得其他信标节点位置和相隔跳距之后，信标节点计算网络平均每跳距离，然后将其作为一个校正值(correction)广播至网络中。校正值采用可控洪泛法在网络中传播，这意味着一个节点仅接受获得的第1个校正值，而丢弃所有后来者，这个策略确保了绝大多数节点可从最近的信标节点接收校正值。在大型网络中，可通过为数据包设置一个TTL域来减少通信量。当接收到校正值之后，节点根据跳数计算与信标节点之间的距离。当未知节点获得与3个或更多信标节点的距离时，则在第3阶段执行三边测量定位。DV-Hop算法在网络平均连通度为10，信标节点比例为10％的各向同性网络中定位精度约为33％。其缺点是仅在各向同性的密集网络中，校正值才能合理地估算平均每跳距离。

MIT的Radhika Nagpal等提出了一种定位方法：Amorphous定位算法。该方法采用与DV-hop类似的方法获得距信标节点的跳数。节点i收集邻居节点的跳数，计算关于某个信标节点的局部跳数平均值，如下式，式中h_i表示节点i与信标节点之间的跳数，h_j表示邻居节点j与这个信标节点之间的跳数，nbrs(i)表示节点的邻居节点集合。