[发明专利]一种基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络分布式定位方法，具体为一种将到达角度估计定位和Gossip算法有机结合的适用于无线传感器网络典型工作环境的协作定位方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量具有数据采集、数据处理和无线数据收发等功能的节点所组成的通信网络。由于成本和体积的限制，这些节点通常都采用电池供电，因此具有有限的数据分析和传输能力。典型的无线传感器网络工作方式是将大量随机或人为布置的传感器节点通过自组织等方式快速形成一个无线网络。每个传感器节点都有自己的通信区域并且通过感知设备来检测周围环境的温度、湿度抑或频谱等信息，同时也配备通信设备与相邻节点进行短距离通信。

传统的基于端到端路由的通信方式，已经不再适合于大规模的无线传感器网络。同时还应当注意到，由于无线传感器节点有限的通信能力、数据处理能力和设备可靠性，无线传感器网络中的节点通常都采用密集放置的方式。由于节点密度较高，因此地理位置上临近的节点所采集的数据通常具有较大的冗余。如果能在数据传输过程中将这些数据进行融合压缩，就可以显著减小后续传输过程中的分组数量和分组尺寸，提高网络容量并降低节点的能量消耗。因此关于无线传感器网络中的数据压缩和有效传输手段的研究就成为了一个研究热点。在上述背景下，诞生了可应用于无线传感器网络分布式共识的Gossip算法。该算法中的每个节点随机地和它选定的某个（或某组）相邻节点交换数据，然后这两个（或该组）节点分别利用凸合并算法合并这些数据，并用新的数据替换掉自己原有的数据。此时称该算法完成了一次更新或者一次迭代。

无线传感器网络节点的工作区域通常为诸如军事侦察、路况检测等人类不易进入的区域，而且对于像灾后重建、气候监测等传感器网络的典型应用环境，传感器节点通常通过飞机抛洒等手段被置于工作区域，因而它们的位置都是随机而未知的。然而在许多应用中，节点所采集的数据必须结合它所处的坐标位置才有意义，因而对于无线传感器网络未知节点（网络中待测其位置的节点）的定位技术的研究具有重要的意义。因此，自从无线传感器网络被广泛关注开始，其定位技术一直是理论研究的焦点问题。

针对无线传感器网络的自身特点，近几年研究者的目光主要集中在分布式定位算法的研究上。目前广泛应用的分布式定位算法基本上都是基于测距方式的算法，可以分为基于到达信号强度(RSSI)定位、基于到达时间(TOA)定位、基于到达时间差(TDOA)定位和基于到达角度(AOA)定位。在现如今广泛应用于定位硬件系统的是具备较好定位精度的TDOA定位或TOA定位方法，然而上述两种定位方法均需要精确的时间同步，如各锚节点之间的时间偏差比较大，则会造成较大的定位误差。然而，在无线传感器网络中，其全网时间同步问题已经成为公认的技术难题，因而在移动通信系统等领域中广泛使用的TDOA等定位方法未必完全适用于无线传感器网络的工作环境。与此同时，随着智能天线技术的成熟应用，使得采用AOA定位方法进行定位成为可能。而且相对于TDOA和TOA定位来说,AOA定位不需要精确的时间同步作为前提条件。因而，在无法实现或较难实现时间同步的情况下，基于TOA或者TDOA技术的定位方法无法实现，而基于AOA定位技术的方法在此种情况下便可派上用场，因而本发明将采用AOA定位作为基本定位技术。然而，目前AOA定位存在的一个重要问题是其定位精度较差，这也是一直以来限制其实际应用的瓶颈所在。尽管目前随着智能天线乃至天线阵列技术的发展，AOA定位方法的定位精度有所提升，但是仍然无法满足高精度定位的需求。

针对于无线传感器网络节点密集放置的工作环境，一种能够提高分布式算法定位精度的方式就是采用节点间的分布式协作定位。然而在这种分布式协作定位框架中，如何将每个锚节点（网络中已知自身位置的节点）采用AOA定位方法获得的未知节点位置估计值有效利用从而提高定位精度，并且同时将网络中每个锚节点获取的定位数据有效的融合压缩，从而去除由于节点密度较高引起的定位数据冗余这一系列问题都是亟待研究人员提出切实的方案解决的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法，以将每个锚节点（网络中已知自身位置的节点）采用AOA定位方法获得的未知节点位置估计值有效利用从而提高定位精度，并且同时将网络中每个锚节点获取的定位数据有效的融合压缩，从而去除由于节点密度较高引起的定位数据冗余。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法具体按以下步骤实现：