[发明专利]各向异性无线传感器网络的扩展区域多跳节点测距方法

说明书

本发明提出了一种各向异性无线传感器网络的扩展区域多跳节点测距方法，用以解决当局部区域节点形成凹型区域，节点间跳距与实际距离存在跳距误差的问题。本发明步骤为：根据各向异性传感器网络中的凹型区域的边界形状对凹型区域边界进行分类；对影响节点通信的边界类型，根据边界节点的连通信息进行分割通信，利用凹型区域边界识别方法识别凹型区域边界节点；利用节点间的连通信息计算未受凹型区域影响的节点间距，对于节点间最短通信路径经过凹陷区域边界节点，利用拓展凹型区域边界测距方法计算节点间的间距。本发明解决了各向异性无线传感器网络中节点多跳测距问题，与非测距节点定位算法相比，在凹型区域传感器网络中有良好的准确性和稳定性。

技术领域

本发明涉及节点测距定位的技术领域，尤其涉及一种各向异性无线传感器网络的扩展区域多跳节点测距方法。

背景技术

无线传感器网络是一种被部署在受控区域的多跳自组织网络，它由大量的具有通信与感知能力的传感器节点构成，在入侵检测、工业自动化、智能建筑等众多领域有着极其广泛的应用。在任何领域中，只要涉及到无线传感器网络的应用，那么它的节点定位就起着不可估量的作用。作为物联网前端技术，无线传感器网络实现了快速部署、组网便捷、低成本的数据收集，具有广阔的应用前景。但是在大多数应用和传感器网络自身拓扑控制、路由等核心技术设计中，传感器节点必须明确自身位置信息。无线传感器网络节点受到成本、能耗限制，不可能给所有节点装配定位模块。无线传感器网络必须根据部署在网络中的个别位置已知的节点(锚节点)和其与目标节点的节点间距来实现节点定位，因此利用节点连通信息实现测距的节点测距技术就至关重要。现有的定位技术根据定位算法是否直接通过物理测量来获得节点间的距离或角度信息分为测距(Range-based)定位技术和非测距(Range-free)定位技术。

测距定位利用物理层无线信号的接收信号强度(RSS，received signalstrength)、到达时间(TOA，time of arrival)、到达时间差(TDOA，time difference onarrival))、到达角度(AOA，angle of arrival)，并依据定位几何关系获得定位测量，进而解算位置(坐标)信息。虽然基于测距的定位技术通过节点间的绝对距离来计算节点的位置，精度相对较高，但是，在大型区域中它会产生较高的硬件成本，同时也会产生较高的能耗。然而，与测距定位相比，非测距定位免硬件支持，具有成本低、功耗小的特点，更能适应资源受限无线传感器网络的应用需求。非测距定位不直接进行距离(或方位)的测量，而是通过估计节点间的欧氏距离或确定包含未知节点的可能区域，进而确定未知节点的位置。经典的非测距定位算法有DV-Hop算法、质心算法(centroid algorithm)、凸规划(convexoptimization)算法和MDS-MAP算法等。

在非测距定位算法中大都用跳距来计算节点间的欧式距离，但是在各向异性传感器网络中，当局部区域节点分布不均匀，形成凹型区域的时候，节点间跳距与实际距离往往相去甚远。

无线传感器网络的应用与现实环境紧密相连，因此其相关研究应该充分考虑现实环境对无线传感器网络研究的影响。在现实应用当中，由于无线传感器网络节点部署具有随机性、监测区域存在较大障碍物、节点之间通信信号不稳定等因素，导致节点部署区域形成凹型区域。传感器节点通信能力有限，节点之间往往是通过多跳的方式进行通信。受凹型区域中凹型边界影响，通过多跳进行通信的传感器节点之间的最短路径很可能远远背离一条直线，从而造成它们之间较大的最短路径误差。因此，如何在凹型区域的环境下用非测距节点定位算法获得精确的测距结果具有重要的实用价值，值得进行深入研究。