專利名稱：分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網(wǎng)絡技術領域的方法，具體是一種分布式無線傳
感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位是指根據(jù)一些已知位置估計的節(jié)點，即通常稱為錨節(jié) 點)和節(jié)點之間的測距信息或者連通信息確定未知位置節(jié)點的物理坐標。節(jié)點定位技術 是無線傳感器網(wǎng)絡的核心技術之一。在傳感器網(wǎng)絡的各種應用中，節(jié)點位置至關重要，沒有 位置信息，大部分采集的數(shù)據(jù)也失去了實際意義。由于位置信息的重要性，網(wǎng)絡部署后，節(jié) 點應該能夠自主確定自身位置，由于受資源、成本和應用環(huán)境限制，每個節(jié)點配置GPS或者 人工配置顯得不現(xiàn)實，因此必須開發(fā)適合無線傳感器網(wǎng)絡特點的節(jié)點定位機制。無線傳感 器網(wǎng)絡定位機制必須滿足自組織性、魯棒性、能量有效等要求，并且必須具有良好的可擴展 性、容錯性、適應資源有限的約束。 目前，針對不同的應用提出了許多定位技術，按照不同的劃分標準主要可以分為 測距和非測距、集中式和分布式等類型?，F(xiàn)有的基于測距的定位方法多為集中式定位方 法，如Q. Shi， C. He， and L Jiang，在"Normalized incremental subgradient algorithm andits application,"，即歸一化次梯度算法及其應用)，即IEEE Trans. SignalProcess.， Vol. 57， No. 10， pp. 1-16， Oct. 2009.)中提出的基于歸一化次梯度法的定位方法能夠達到很 高的定位精度，但對網(wǎng)絡能量和帶寬的要求較高，可擴展性差。而且，這些方法都沒有考慮 錨節(jié)點位置存在測量誤差。 經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，S. Srirangarjan， A. H. Tewfik， and Z. -Q. Luo，在 "Distributed sensor network localization using S0CP relaxation,，，，艮卩基于二次 錐松弛的分布式傳感器網(wǎng)絡定位)，即IEEE Trans. Wireless Co匪n. ， Vol. 7， No. 12， pp. 4886-4895，Dec. 2008)中考慮了錨節(jié)點位置存在測量誤差這一情況，提出了一種分布式 的定位方法。該方法非常適合網(wǎng)絡內(nèi)分布式執(zhí)行，但是由于是基于二次錐松弛技術，定位精 度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位 方法，適用于靜態(tài)無線傳感網(wǎng)絡定位，降低了對網(wǎng)絡能量和帶寬的要求，提高了定位精度和 可擴展性，不需要任何路由協(xié)議支持。 本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟 第一步、網(wǎng)絡初始化當包括錨節(jié)點和未知節(jié)點的網(wǎng)絡節(jié)點部署完畢后，所有網(wǎng)絡 節(jié)點中的直連鄰居節(jié)點之間進行測距，然后每個網(wǎng)絡節(jié)點確定各自位置的初始估計并廣播 給該節(jié)點的鄰居節(jié)點。
所述的初始估計包括未知節(jié)點位置的初始估計和錨節(jié)點位置的初始估計，其中未知節(jié)點位置的初始估計隨機生成，錨節(jié)點位置的初始估計通過GPS或人工測量所得。
所述的直連鄰居節(jié)點是指能夠直接通信的兩個相鄰的網(wǎng)絡節(jié)點；
所述的測距是指直連鄰居節(jié)點之間的歐氏距離估計； 第二步、凸定位利用主從節(jié)點選擇協(xié)議從所有網(wǎng)絡節(jié)點中確定若干個主節(jié)點和
對應的從節(jié)點，每個主節(jié)點根據(jù)其與從節(jié)點的測距以及由從節(jié)點發(fā)出的初始估計利用二次
錐定位法進行位置更新，重復執(zhí)行第二步直至所有網(wǎng)絡節(jié)點的位置不再更新，所述的主節(jié)
點是指具有位置更新權利的網(wǎng)絡節(jié)點；所述的從節(jié)點是指主節(jié)點的所有相鄰節(jié)點； 所述的主從節(jié)點選擇協(xié)議是指每個網(wǎng)絡節(jié)點運行一個隨機定時器并進行倒計
時，當一個網(wǎng)絡節(jié)點的隨機定時器即將最早到期時，則該網(wǎng)絡節(jié)點則向其所有鄰居節(jié)點廣
播主節(jié)點更新消息，同時所有收到該主節(jié)點更新消息的網(wǎng)絡節(jié)點停止其隨機定時器并將其
設定為從節(jié)點，其中主節(jié)點更新消息是指通過廣播向鄰居節(jié)點發(fā)送更新消息，宣告廣播
發(fā)出的網(wǎng)絡節(jié)點為主節(jié)點。
所述的位置更新具體包括以下步驟 2. 1)利用二次錐凸定位法生成主節(jié)點的位置更新； 2. 2)當主節(jié)點的位置更新與上一次的位置估計之間的歐式距離在10—4 10—2以 下時，則該主節(jié)點的位置不進行更新，并停止隨機定時器； 否則更新該主節(jié)點的位置估計，以位置更新替換上一次的位置估計。 2. 3)重復步驟2. 1)和步驟2. 2)直至所有節(jié)點的隨機定時器關閉，即當所有節(jié)點
的位置都不需要更新。 第三步、運行主從節(jié)點選擇協(xié)議確定主節(jié)點和從節(jié)點，然后各主節(jié)點根據(jù)其與從 節(jié)點測距和從節(jié)點的位置估計利用非凸定位法進行二次位置估計，得到最終節(jié)點位置估 計。
所述的利用非凸定位法進行二次位置估計，包括以下步驟 3. 1)主節(jié)點利用迭代式計算該主節(jié)點到其從節(jié)點的間距， 當主節(jié)點為未知節(jié)點時，迭代式為


min
+
，'廣
。[[果節(jié)點i為^節(jié)點 1，2，..

Vj-Xj
如果節(jié)點i為錨節(jié)點
其中Xi為網(wǎng)絡節(jié)點的位置，Vj為未知點的測量位置，ai為錨節(jié)點的測量位置，
N
當主節(jié)點為錨節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 6</formula> 其中Ni表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點集、Xj為網(wǎng)絡節(jié)點Xi的所有鄰居節(jié)點的當前位置 估計，表示直連鄰居節(jié)點i和j之間的歐氏距離估計，i = 1，2， . . . N ;
3. 2)當步驟3. 1)得到的間距與第二步中得到的位置更新相比差距為10—4 10—2 時，則該主節(jié)點不更新，并停止隨機定時器；否則將二次位置更新替換該主節(jié)點在第二步中 得到的位置更新； 3. 3)重復步驟3. 1)和步驟3. 2)此過程直至所有主節(jié)點的不再進行二次位置更 新，從而得到最終的網(wǎng)絡節(jié)點定位。 本發(fā)明方法通過利用內(nèi)點法求解，每個節(jié)點更新位置的計算復雜度為三次多項式 級別，實現(xiàn)起來較為簡單。


圖1為分布式凸定位法ESOCP的收斂性能圖。 圖2為分布式非凸定位法NCSG的收斂性能圖。 圖3為各種定位法在錨節(jié)點位置不確定性時的定位性能比較圖； 其中S = 0. 2R， R為通信半徑。 圖4為各種定位法在測距噪聲系數(shù)定位性能比較圖； 其中nf = 0. 1時隨著錨節(jié)點誤差。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 本實施例實現(xiàn)環(huán)境包括一個由N個節(jié)點，其中m個錨節(jié)點和n個未知節(jié)點組成 的無線傳感器網(wǎng)絡，上述節(jié)點的位置依次用Xi， i = 1，2，. . . N表示；錨節(jié)點的測量位置為& 和測量誤差的上界為S :艮卩I |Xi-ai| I《S，i二l，2，…m;直連鄰居節(jié)點i和j的測量距 離用dij表示，S卩I |Xi-Xj| I " dij。
本實施例具體通過以下步驟進行 第一階段為網(wǎng)絡的初始化階段，此階段包括以下步驟 1. 1)當網(wǎng)絡節(jié)點部署完畢后，所有網(wǎng)絡節(jié)點中的直連鄰居節(jié)點之間進行測距；
1. 2)每個網(wǎng)絡節(jié)點確定各自位置的初始估計并將初始位置估計廣播給各自的鄰 居節(jié)點； 1. 3)所有網(wǎng)絡節(jié)點啟動隨機定時器。
所述的初始位置估計包括網(wǎng)絡節(jié)點的初始估計，其中未知節(jié)點位置的初始估 計隨機生成，錨節(jié)點位置的初始估計通過GPS或人工測量所得。
所述的直連鄰居節(jié)點是指能夠直接通信的兩個相鄰節(jié)點；
所述的測距是指直連鄰居節(jié)點之間的歐氏距離估計； 第二階段為分布式凸定位階段，該階段在初始階段完成后執(zhí)行，包括如下過程有些節(jié)點的定時器相比于它們的鄰居節(jié)點的定時器率先到期，這些節(jié)點就被選擇成為主節(jié)點，即具有位置更新權利的節(jié)點，而其鄰居節(jié)點則成為從節(jié)點，即從屬于主節(jié)點的節(jié)點，在主節(jié)點更新位置時這些節(jié)點不更新位置。 當發(fā)生定時器沖突，即兩個以上鄰居節(jié)點的定時器同時到期，那么這些節(jié)點重新啟動隨機定時器競爭成為主節(jié)點。確定了主節(jié)點以后，主節(jié)點廣播一個控制信息，通知各自的鄰居節(jié)點，即從節(jié)點，都退避，即告訴鄰居節(jié)點這個時刻只有它有權利更新，而鄰居節(jié)點在收到控制信息后關閉各自的定時器進入待命狀態(tài)并回復主節(jié)點"收到命令"信息。主節(jié)點在知道自己的鄰居節(jié)點都待命后利用二次錐定位法計算自己的位置估計并與當前的位置估計進行比較。 當主節(jié)點不需要更新位置估計，也就是當計算出來的位置估計和當前的位置估計變化不明顯，即它們之間的歐式距離在10—4 10—2以下時，那么主節(jié)點關閉自己的定時器并向其從節(jié)點發(fā)送"允許更新"的命令，否則向從節(jié)點發(fā)送更新后的位置估計和位置相關冗余 當某從節(jié)點可能隸屬于多個主節(jié)點。只有當該從節(jié)點收到了所有其主節(jié)點完成位置計算后發(fā)來的控制信息，即包括"允許更新"命令或者更新后的位置估計和相關冗余變量)且至少它的一個主節(jié)點的位置估計發(fā)生了更新，那么該從節(jié)點重啟定時器，否則從節(jié)點不重啟定時器，直到收到其它主節(jié)點更新后的位置估計。
重復上述過程直到所有節(jié)點的定時器都關閉。 所述的二次錐定位法是指假如節(jié)點i為主節(jié)點，則節(jié)點i通過求解下述二次錐規(guī)劃計算位置估計 對于節(jié)點i為錨節(jié)點的情況，二次錐規(guī)劃為<formula>formula see original document page 7</formula>
, <formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>而對于節(jié)點i為未知節(jié)點的情況，二次錐規(guī)劃為<formula>formula see original document page 7</formula>
在上述二次錐規(guī)劃中，Ni表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點集，j G Ni表示節(jié)點j是節(jié)點i的Y，.，，l |Xj| I2 ;Xj為鄰居節(jié)點的當前位置估計；
鄰居；Yii， Yjj， Yij，即j G &為冗余變量；Cj上述二次錐規(guī)劃有關Xi的解作為節(jié)點i的位置估計。 所述的位置相關冗余變量是指假如節(jié)點i為主節(jié)點，則二次錐規(guī)劃有關Y 的解為節(jié)點i的位置相關冗余變量。 第三階段為分布式非凸定位階段，該階段在第二階段完成后執(zhí)行，首先重新啟動所有節(jié)點的隨機定時器，然后重復執(zhí)行如下過程直到所有節(jié)點的隨機定時器關閉有些節(jié)點的定時器相比于它們的鄰居節(jié)點的定時器率先到期，這些節(jié)點就被選擇成為主節(jié)點，即具有位置更新權利的節(jié)點，而其鄰居節(jié)點則成為從節(jié)點，即從屬于主節(jié)點的節(jié)點，在主節(jié)點更新位置時這些節(jié)點不更新位置。若發(fā)生沖突，即兩個以上鄰居節(jié)點的定時器同時到期，那么這些節(jié)點重新啟動隨機定時器競爭成為主節(jié)點。確定了主節(jié)點以后，主節(jié)點廣播一個控制信息，通知各自的鄰居節(jié)點，即從節(jié)點)都退避，即告訴鄰居節(jié)點這個時刻只有它有權利更新，而鄰居節(jié)點在收到控制信息后關閉各自的定時器進入待命狀態(tài)并回復主節(jié)點"收到命令"信息。主節(jié)點在知道自己的鄰居節(jié)點都待命后利用非凸定位法計算自己的位置估計并與當前的位置估計進行比較。如果主節(jié)點發(fā)現(xiàn)不需要更新位置估計，也就是當計算出來的位置估計和當前的位置估計變化不明顯時，即它們之間的歐式距離小于10—4，那么主節(jié)點關閉自己的定時器并向其從節(jié)點發(fā)送"允許更新"的命令，否則向從節(jié)點發(fā)送更新后的位置估計。注意，某個從節(jié)點可能隸屬于多個主節(jié)點。只有當該從節(jié)點收到了所有其主節(jié)點完成位置計算后發(fā)來的控制信息，即包括"允許更新"命令或者更新后的位置估計)且至少它的一個主節(jié)點的位置估計發(fā)生了更新，那么該從節(jié)點重啟定時器，否則從節(jié)點不重啟定時器，直到收到其它主節(jié)點更新后的位置估計。 第三階段的定位結果作為最終的網(wǎng)絡節(jié)點位置估計。
所述的非凸定位法是指假如節(jié)點i為主節(jié)點，則節(jié)點i通過下述迭代位置更新方法計算位置估計，即迭代初始值Xi°取節(jié)點i當前的位置估計
當節(jié)點i為錨節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 8</formula> 當節(jié)點i為未知節(jié)點時，迭代式為
<formula>formula see original document page 9</formula> 在上述迭代式中，|Ni|表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點總數(shù)；Xj為鄰居節(jié)點的當前位置估計；Xik表示第k次迭代計算得到的節(jié)點i的位置估計值。迭代算法的終止準則為
^ ^e的取值范圍為10—4 10— 從圖1和圖2中可以看出，本實施例的定位方法能夠迅速收斂，大概需要30次循環(huán)計算，即注意，此處的一次循環(huán)代表遍歷所有節(jié)點一次。從圖3，4中可以看出，本實施例的分布式凸定位方法ES0CP，即第二階段方法)相比現(xiàn)有技術具有更高的定位精度，另外，本實施例的分布式非凸定位方法，即第三階段方法)可以進一步提高定位精度。圖中還可以看出，本實施例的二階段定位方法ESOCP+NCSG相比現(xiàn)有技術提高％ 20通信半徑的定位精度，非常接近集中式定位方法NIS的定位性能，尤其在測距誤差和錨節(jié)點位置測』較小時。
權利要求
一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、網(wǎng)絡初始化當包括錨節(jié)點和未知節(jié)點的網(wǎng)絡節(jié)點部署完畢后，所有網(wǎng)絡節(jié)點中的直連鄰居節(jié)點之間進行測距，然后每個網(wǎng)絡節(jié)點確定各自位置的初始估計并廣播給該節(jié)點的鄰居節(jié)點；第二步、凸定位利用主從節(jié)點選擇協(xié)議從所有網(wǎng)絡節(jié)點中確定若干個主節(jié)點和對應的從節(jié)點，每個主節(jié)點根據(jù)其與從節(jié)點的測距以及由從節(jié)點發(fā)出的初始估計利用二次錐定位法進行位置更新，重復執(zhí)行第二步直至所有網(wǎng)絡節(jié)點的位置不再更新，所述的主節(jié)點是指具有位置更新權利的網(wǎng)絡節(jié)點；所述的從節(jié)點是指主節(jié)點的所有相鄰節(jié)點；第三步、運行主從節(jié)點選擇協(xié)議確定主節(jié)點和從節(jié)點，然后各主節(jié)點根據(jù)其與從節(jié)點測距和從節(jié)點的位置估計利用非凸定位法進行二次位置估計，得到最終節(jié)點位置估計。
2. 根據(jù)權利要求1所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征是，所述的初 始估計包括未知節(jié)點位置的初始估計和錨節(jié)點位置的初始估計，其中未知節(jié)點位置的 初始估計隨機生成，錨節(jié)點位置的初始估計通過GPS或人工測量所得。
3. 根據(jù)權利要求1所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征是，所述的主 從節(jié)點選擇協(xié)議是指每個網(wǎng)絡節(jié)點運行一個隨機定時器并進行倒計時，當一個網(wǎng)絡節(jié)點 i的隨機定時器即將最早到期時，則該網(wǎng)絡節(jié)點則向其所有鄰居節(jié)點廣播主節(jié)點更新消息， 同時所有收到該主節(jié)點更新消息的網(wǎng)絡節(jié)點停止其隨機定時器并將其設定為從節(jié)點，其 中主節(jié)點更新消息是指通過廣播向鄰居節(jié)點發(fā)送更新消息，宣告廣播發(fā)出的網(wǎng)絡節(jié)點 為主節(jié)點。
4. 根據(jù)權利要求3所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征是，所述的位 置更新，包括以下步驟(2. 1)利用二次錐凸定位法生成主節(jié)點的位置更新；(2. 2)當主節(jié)點的位置更新與上一次的位置估計之間的歐式距離小于0. 0001時，則該 主節(jié)點的位置不進行更新，并停止隨機定時器；否則更新該主節(jié)點的位置估計，以位置更新替換上一次的位置估計；(2. 3)重復步驟2. 1)和步驟2. 2)直至所有節(jié)點的隨機定時器關閉，即當所有節(jié)點的位 置都不需要更新。
5. 根據(jù)權利要求1所述的分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，其特征是，所述的利 用非凸定位法進行二次位置估計，包括以下步驟(3. 1)主節(jié)點利用迭代式計算該主節(jié)點到其從節(jié)點的間距， 當主節(jié)點為未知節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 2</formula>2其中Xi為網(wǎng)絡節(jié)點的位置，Vj為未知點的測量位置，&為錨節(jié)點的測量位置，i = 1，<formula>formula see original document page 3</formula>當主節(jié)點為錨節(jié)點時，迭代式為<formula>formula see original document page 3</formula>其中A表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點集、Xj為網(wǎng)絡節(jié)點Xi的所有鄰居節(jié)點的當前位置估計，dij表示直連鄰居節(jié)點i和j之間的歐氏距離估計，i = 1，2， . . . N ;(3. 2)當步驟3. 1)得到的間距與第二步中得到的位置更新相比差距為10—4 10—2時， 則該主節(jié)點不更新，并停止隨機定時器；否則將二次位置更新替換該主節(jié)點在第二步中得 到的位置更新；(3. 3)重復步驟3. 1)和步驟3. 2)此過程直至所有主節(jié)點的不再進行二次位置更新，從 而得到最終的網(wǎng)絡節(jié)點定位。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡技術領域的分布式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，包括網(wǎng)絡初始化；凸定位；和非凸定位三個階段。本發(fā)明適用于靜態(tài)無線傳感網(wǎng)絡定位，降低了對網(wǎng)絡能量和帶寬的要求，提高了定位精度和可擴展性，不需要任何路由協(xié)議支持。
文檔編號H04W84/18GK101711062SQ20091031055
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權日2009年11月27日
發(fā)明者何晨, 史清江, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學