[发明专利]基于Tunneling method的无线传感器网络三维节点定位方法

说明书

本发明提供基于Tunneling method的无线传感器网络三维节点定位方法，包括以下步骤：步骤一：无线传感器网络初始化，对于每个节点，得到包括它自己在内的单跳邻居节点之间的距离，获得锚节点坐标矩阵C；步骤二：计算单跳邻居节点的绝对坐标矩阵X_i和X_j；步骤三：计算在X_j处的目标函数σ(X_j)；步骤四：如果自身是未知节点，那么利用质心算法得到自身的坐标，从而成为一个锚节点，再把自身的坐标值发送给所有单跳邻居节点；步骤五：重复步骤一到步骤四，直到所有节点都为锚节点，完成定位。能够解决目前定位方法中由于三维空间维数的增加导致运算过程复杂，会出现误差的积累的问题，并且定位误差小，定位精度高。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及基于Tunneling method的无线传感器网络三维节点定位方法(简称TMDS方法)。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)节点定位技术是无线传感器网络的主要支撑技术之一，节点定位的过程是利用少数位置已知的节点，按照某种算法或者某种机制确定未知节点的位置。当前二维无线传感器网络节点定位技术已经趋于成熟，但是有关三维空间节点定位方面的研究却相对很少。在实际应用中，由于地形限制(如在空中、海洋、森林、山区等复杂地形)或者环境限制(如位于空中的不同高度或海洋的不同深度)，使得无线传感器往往在空间上成立体分布，而不是平面分布，所以仅仅是在二维平面上对传感器进行二维定位是远远不够的，需要把定位研究扩展到三维空间去。三维空间因为维数的增加，运算过程复杂，会出现误差的积累，节点自身定位的误差即使很小，在三维运算后也会很明显。此外，无线传感器网络系统完成自身定位后，还要结合节点自身坐标实现对外部目标的准确定位，因此节点自身的定位算法需要较高定位精度。近年来，对无线传感器网络三维节点定位问题有了许多新颖的思想和解决方案。最早由Shang等提出的源于心理测验学多维度定标(Multidimensional scaling，MDS)的定位技术，为节点定位提供了一种新的思路。MDS是一种数据分析技术，由多维空间中的点得到相似度矩阵(如由节点间欧氏距离构成的距离矩阵)为基础进行运算。MDS提供多种方法来解决定位问题，如果节点间的距离全部可知，则利用奇异值分解的方法直接得到节点的坐标；如果节点间的距离只有部分可知，则只能利用重复优化的方法来解决，本文提出的算法属于后者。与其它的定位算法相比，基于MDS的定位算法能充分利用网络中所有节点间的关联信息对多个节点同时定位，在没有锚节点的情况下也能得到节点的相对位置图；当需要绝对位置时，概算需要的锚节点个数最少，对锚节点的部署也没有限制；并且MDS用于解决节点定位问题可以在有限的距离信息以及距离值存在误差的情况下仍然能后得到相对准确的坐标。目前已有一些MDS的算法，最具代表性的有MDS-MAP，MDS-MAP(P)和MDS-MAP(P，R)算法。MDS-MAP是一种基于MDS的集中式定位算法，MDS-MAP算法首先利用多维定标技术建立一系列三维空间中邻近节点的局部地图，然后经过坐标转换实现全网定位。MDS-MAP算法利用了MDS本身具有的优点，同时避免了用最短路径距离近似节点间的真实距离而引入的误差，因此它的定位精度有一定的提高，但最大的缺点是需要集中式计算，不适合大规模的、分布不均匀的网络。MDS-MAP(P)算法和MDS-MAP(P，R)算法是MDS-MAP算法分布式改进，通过把整个网络划分为子网，为每个子网独立运行MDS-MAP算法，得到局部坐标系，然后转换与融合计算结果实现全网定位。这种转换和融合将大大增加算法的复杂度，并且在转换和融合的过程中会引入传递误差，并导致误差的积累，而且网络规模越大，这种误差积累就越明显，计算复杂度也成几何倍数增长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供基于Tunneling method的无线传感器网络三维节点定位方法，能够解决目前定位方法中由于三维空间维数的增加导致运算过程复杂，会出现误差的积累的问题，并且定位误差小，定位精度高。