[发明专利]一种轻量级的无线传感器网络多跳定位方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种轻量级的无线传感器网络多跳定位方法，它是信标节点稀疏部署的大规模无线传感器网络的节点自定位，属于无线传感器网络定位技术领域。

(二)背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由大量的传感器节点以无线通讯的方式组成的多跳自组织网络系统，网络化智慧感知、低成本和布置灵活，是其被看好的主要原因。无线传感器节点具有数据采集、处理和通信等功能，可实时监测、感知和处理无线传感器网络分布区域内的各种环境信息，然后传送给所需要信息的终端用户。无线传感器网络在军事安全、环境监测及预报、工业控制、交通运输、智能家居、物流管理、智能农业和医疗护理等多方面都有很广泛的用途。

定位技术作为无线传感器网络的关键支撑技术，对其应用和基于位置的网络协议研究都有重要意义。例如，监测森林火险的无线传感器网络在监测到火情时，不仅需要及时报告火灾情况，还需要报告火灾发生的地理位置，以便消防部门能及时赶到事发地点；天然气管道出现泄漏时，部署在管网上的传感器节点除了能报告泄漏信息外，还需要提供具体泄漏的位置；部署在战场上的无线传感器网络只有提供了敌人的具体位置，才能对其实施精准的打击等，这些功能的实现都要求传感器节点事先知道自身的位置。然而，在无线传感器网络实际应用中，传感器节点通常随机部署(如飞机布撒)在不同的环境中执行各种监测任务，自身的位置无法事先确定，因此节点在部署后首先需要实时地进行自定位。定位技术对于无线传感器网络基于位置的网络协议(如网络管理、地理路由等)的研究也有重要意义。

网络中未知坐标的节点(待定位节点)要实现定位需要借助于一定的参考信息，如信标节点的坐标、自身到信标节点间的距离等。由于信标节点通常装备GPS模块或通过人工部署来获取自身位置信息，提高信标节点密度会极大地增加网络构建成本，因此传感网中信标节点往往以稀疏的形式部署，此时，许多待定位节点可能收不到足够的参考信息实现定位。为了解决这个问题，一般采用三种方法来处理：集中定位、迭代定位和多跳定位。集中定位是指中心节点利用网络中所有节点的连通度信息生成全局拓扑图从而实现定位的方法。集中定位虽然精度较高，但其对网络的连通性要求比较严格，通讯消耗较大，方法的扩展性也较差，不适用于大规模无线传感器网络的应用。与集中定位不同，迭代定位和多跳定位是两种分布式定位方法。迭代定位中，经过坐标计算的待定位节点升级为信标节点，并辅助其他节点实现定位。迭代定位在小规模网络中性能较好，但在大型网络中，随着迭代次数的增加，定位误差会逐级传播并放大，最终导致定位错误；此外，迭代定位的周期较长，不适用于实时性要求较高的场合。待定位节点通过和邻居节点的协作，利用自身通信范围内之外的信标节点实现定位的方法称为多跳定位。多跳定位避免了定位误差的传播，定位实时性较好，能量消耗及成本较低，可以满足网络规模化应用的需要。

2001年，尼古列斯库等人在距离向量(Distance Vector，DV)路由的基础上，提出的DV-hop和DV-distance方法是多跳定位思想在无线传感器网络的最初应用：在定位初始阶段，所有信标节点广播自身的坐标，并通过泛洪的方式在网络中传播，每个未知节点统计自身到信标节点的最小跳数或最短距离，最后基于多边定位方法计算出自身坐标；尚易等人研究了不同的锚节点选择方案和坐标优化计算方法对传感网多跳定位的影响，实验分析表明使用距离待定位节点最近的四个信标节点作为参考，并通过非线性最小二乘优化方法求解节点坐标，在节点密集部署的网络中能够达到较好的性能；赫廉等人采用截断奇异值分解伪逆技术得到多跳距离估计同欧式距离间的映射关系(Proximiry-Distance Map，PDM)，PDM保留了尽可能多的网络拓扑信息，可以减小距离估计噪声对定位性能的影响；王晨等人提出的i-Multihop定位方法，通过上限约束方法过滤掉由于网络拓扑不规则导致的错误距离估计值，并与距离一致性条件相结合，实现凹网络中较为精确的多跳定位。

上述方法分别从不同角度对多跳定位中存在的问题进行了分析和处理，但普遍仍存在如下问题：节点坐标计算过程中，定位参考信息的优先级过于单一，甚至将多跳和一跳参考信息按相同的优先级处理，定位精度较低；选择性使用参考信息进行定位的方法，由于未充分利用全部有用信息，定位覆盖率不能得到保证；未权衡计算复杂度和定位精度间的关系，而且容易陷入局部极小值等。这些问题的存在，限制了多跳定位在大规模无线传感器网络中的应用，影响了无线传感器网络的进一步发展。

(三)发明内容