[发明专利]一种基于可信邻居距离的无线传感网节点定位校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的节点定位校准方法。

背景技术

在无线传感器网络中的节点多为随机布撒在监测区域中，这些节点可分为锚节点和未知节点两类，少量锚节点通过配备GPS定位模块或人工布设获得自身位置，而大多数未知节点位置不能事先确定，一定范围内的节点可相互自由通信，称为邻居节点。

在众多的应用中，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测数据往往毫无意义。例如，目标跟踪时，传感器探测出所跟踪的目标，需通过传感器的位置来计算目标位置；火灾报警中，需要知道探测到起火点的传感器节点的准确位置；在军事应用中，战场监控则须通过传感器节点的位置提供是哪个区域发现敌方入侵。在上述状况中，传感器节点必须首先知道自身的位置信息，这是进一步采取措施和做出决策的基础。此外，无线传感器网络的某些路由机制、覆盖信息和拓扑控制等都依赖于网络中传感器节点的位置。因此，传感器节点自身定位是无线传感网开展工作的前提。

解决传感器节点定位问题是通过利用少数的锚节点来判定未知节点位置实现的。目前，已有大量基于此思想的定位方法被提出，例如：RSSI、AOA、TDOA、DV-hop、APIT等等。

但是，这些方法都无法同时满足无线传感器网络对定位方法精度高、能耗小、成本低和稳定性的需求。首先由于传感器节点受到成本、能耗和体积的限制，RSSI、AOA、TDOA这类需要复杂硬件设备支撑的定位方法是不太适用于传感器网络这种能量受限的场合。其次，DV-hop、APIT等基于网络连通度的定位方法定位精度不高，不能满足对位置信息准确度有严格要求的应用场合。最后，在实际应用中，无线传感器网络监测区域多为环境恶劣、人迹罕至等环境复杂的地区，由于障碍物的阻挡（如湖泊、悬崖），监测区域节点布设之后往往呈现出不规则的网络拓扑结构，上述定位方法在不规则网络拓扑结构的定位精度低，无法满足实际应用的需要。

本发明针对无线传感器网络定位的这些限制，提出了一种基于可信邻居距离的无线传感网节点定位校准方法，通过可信的邻居距离对节点初始估计位置进行校准来达到在不规则网络拓扑结构下提高定位精度的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种无线传感网节点定位校准方法，在不增加硬件设备和通信能量消耗的情况下，它能适应实际应用中的不规则网络拓扑结构，达到提高节点定位精度的目的。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括下列步骤：

步骤1，确定网络中所有节点的连通性：网络中的每个锚节点向邻居节点广播包含自身位置和跳数值初始化为1的信息。邻居节点记录下锚节点位置和跳数值，并将跳数值加1继续向外扩散，直至网络中的所有节点都记录下每个锚节点的位置信息和相应的跳数，而包含节点到各个锚节点最小跳数的矩阵就是该节点的连通性。此外，未知节点不仅保存自身也保存其邻居锚节点的连通性；

步骤2，获得每一个未知节点到所有锚节点的距离：任意两锚节点之间的距离除以其对应的跳数获得该两锚节点间平均每一跳的距离，称为锚节点的平均跳距，每个锚节点向全网广播自身平均跳距，未知节点接收最近锚节点的平均跳距作为自身平均跳距；未知节点的连通性与各个邻居锚节点的连通性差值，称为两节点的连通性差异，包含未知节点与所有邻居锚节点连通性差值的矩阵称为未知节点的连通性差异矩阵；延续了DV-hop定位方法中距离计算方式，只是在计算未知节点到邻居锚节点的距离时，将邻居锚节点与未知节点的连通性差异与未知节点连通性差异矩阵中的最大值的比值作为此邻居锚节点的权值，与通信半径的乘积得到邻居锚节点到未知节点的距离。

步骤3，计算每一个未知节点的初始位置坐标：采用极大似然估计法对未知节点进行位置坐标估算。

步骤4，计算每一个未知节点的校准位置坐标：未知节点有邻居锚节点，以未知节点到最近锚节点的距离为可信邻居距离，未知节点估计位置与最近锚节点的连线为移动方向，将未知节点估计位置移动到距离最近锚节点为可信邻居距离的位置，得到未知节点校准位置；未知节点没有邻居锚节点，忽略步骤4。

所述步骤1中，网络中所有节点到每个锚节点的跳数是采用DV-hop定位方法中获得距离矢量跳数的方法确定的。

所述步骤2中，利用连通性差异来估计未知节点与邻居锚节点之间距离的大小，两节点之间的连通性差异越小邻居距离越小。

所述步骤2中，两节点间的连通性差异计算方式为：