[发明专利]一种针对无线传感器网络的节点定位方法

说明书

一种针对无线传感器网络的节点定位方法，将锚节点i与网络中剩余锚节点组成锚节点对，计算各锚节点对的可靠度，根据可靠度将各锚节点对降序排序并放至栈中；找到栈中可靠度最高的锚节点对，条件判决该锚节点对所属类型，若其为可用锚节点对，则按对应的距离估计公式获得待定位节点到锚节点i的距离；若其为不可用锚节点对，则丢弃该锚节点对的信息，根据可靠度从高到低的顺序重新选择栈中锚节点对进行条件判决及距离估计，直至栈空；重复上述步骤，直至待定位节点获得其到所有锚节点的距离后，计算待定位节点的地理位置。本发明利用可靠度选出受空洞迂回较少的可用锚节点对，利用相应的距离估计方法获得待定位节点到所有锚节点的距离，有效降低覆盖空洞对节点定位的误差。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，更具体地，涉及一种针对无线传感器网络的节点定位方法。

背景技术

无线传感器网络(WSNs)，也被称为无线传感网，是21世纪初诞生的新兴技术，被用于感知、传输被监测区域的各项物理指标，如温湿度、声音、光照、污染等级以及风力等。WSNs采集得到的数据最终会被传输到数据中心用于进一步的分析与处理。

WSNs同时是物联网的核心技术之一，它由大量的传感器节点组成，这些节点拥有如下的特性：体积小、价格相对低廉、能量以及计算资源受限、拥有一定的通信能力。它们被随机或者有规律地人工放置到某个监测区域，负责实时地采集被监测对象的信息，然后通过节点间的相互写作，以多跳的方式将数据传输到基站或者数据中心。近年来随着嵌入式、通信、微电子技术的高速发展，现在的WSN节点的生产成本已经下降了许多，其价格也比较低廉，同时体积和功耗也有所降低。而且，与以前相比，如今相同体积的传感器节点上能安装更多数量的传感器，这使得节点的种类和功能变得越来越丰富。

WSNs中的节点定位技术是当前一个备受关注的研究方向，因为节点定位对于WSNs的应用有着非常重要的应用。节点所采集得到的物理数据需要与该数据所产生的地理位置相关联才有意义，因为对于数据的分析需要知道该数据与特定事件的联系，如果缺少了传感器节点的位置，则特定事件的空间信息会丢失，因此节点位置对于数据分析有着重要的意义。在特定场景下，WSNs包含数量较多的传感器节点，从经济的角度考虑，这些数量巨大的节点不适宜通过人工部署的方式逐一放置到被监测区域；从另一方面考虑，监测区域可能是人类无法到达的区域，例如部署于深海或者高山上的WSNs。在这种情况下，网络需要通过在载具上随机播撒的方式，投放到监测区域并形成自组织网络。网络在启动以后，通过特定的定位算法来获得节点自身的位置，节点在采集数据并回传至数据中心时，会附带其自身的位置信息。

GPS是目前应用较为广泛的一种定位方法，然而GPS并不适宜应用到WSNs中作为节点定位方法，因为GPS要求节点安装相应的GPS接收机，该设备价格相对昂贵，而且能耗较高，体积较大，因此不适合用于能量受限，体积较小的WSNs节点。

WSNs的节点定位方法按照是否需要测量收发机之间的距离可以分为两类，分别为Range-based定位算法和Range-free定位算法。其中Range-based定位算法要求节点安装额外的硬件设备，用于测量收发机的距离。这类型的算法通常是根据接收信号的特征进行测距，典型的信号特征有信号到达时间(TOA)、信号到达时间差(TDOA)、信号到达角(AOA)以及接收信号强度(RSS)。Range-free定位算法则要求网络通过多跳方式传输数据，通常有三类，分别是几何约束方法、基于跳距以及基于机器学习方法。Range-based定位算法的特点是精度高，鲁棒性高，成本高，容易受到通信场景的限制；Range-free定位算法的特点是精度相对而言较为一般，成本低廉，容易受到环境因素影响。

两种定位算法并无优劣之分，只是两者适合的应用场景有所不同，其中，Range-based定位算法适合用于监测区域面积小，锚节点数量少的小规模WSNs，Range-free定位算法适用于监测区域面积大，锚节点数量多的大规模WSNs。