專利名稱：基于泰森多邊形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于泰森多邊形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。

背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的發(fā)展，使得發(fā)展低成本、低功耗、小體積短距離通訊的多功能傳感器成為可能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)隨之應(yīng)運而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，其應(yīng)用越來越廣泛。例如可應(yīng)用于布線和電源供給困難、人員不能到達的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對區(qū)域)和一些臨時場合(如發(fā)生自然災(zāi)害時，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)等。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速部署，抗毀性強等特點，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，特別是對于軍事應(yīng)用、目標追蹤、環(huán)境檢測、空間探索，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢越來越明顯。
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身定位作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和基于位置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究都有重要意義，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常是毫無意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現(xiàn)對外部目標的定位和追蹤。另一方面，節(jié)點位置信息的獲得又可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其它方面的應(yīng)用，比如對路由算法的優(yōu)化、通信開銷的優(yōu)化、基于位置的信息查詢、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率檢查等。
由于受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，在大中型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，往往只有少數(shù)節(jié)點配置GPS接收器，而且不可能人工部署每個節(jié)點。因此，必須采用一定的機制與算法解決節(jié)點的定位問題。近年來提出的WSN定位機制及算法主要有兩類即基于測距技術(shù)的定位方法和無需測距的定位方法?；跍y距技術(shù)的定位方法通過測量節(jié)點間點到點的距離或角度信息計算出待測節(jié)點的位置，上述方法的精度較高，但對節(jié)點的硬件也提出了很高的要求，并且通常需要多次測量，循環(huán)求精，在獲得相對精確的定位結(jié)果的同時也需要付出大量計算和通信開銷，所以，這種方法不適用于低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。無需測距的定位方法則無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性和已知位置的移動錨節(jié)點等信息就能實現(xiàn)相對精確的定位功能，降低了對節(jié)點硬件的要求，因此這種方法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中倍受青睞。但是目前已有的無需測距定位方法，在實際實現(xiàn)過程當中都存在一些問題。
經(jīng)對現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)，相關(guān)文獻如下 1、Tian He等在2003年MOBICOM(移動計算和網(wǎng)絡(luò)年度會議)上發(fā)表的“Range-FreeLocalization Schemes in Large-Scale Sensor Networks(大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的非基于測距的定位算法)”文章中提出APIT算法，該算法利用簡單的點是否在三角形中的判斷方法即可對節(jié)點經(jīng)行定位，也達到了比較高的精度。但是定位過程中的通信開銷太大，并且無法解決邊緣效應(yīng)。
2、Drago Niculescu等在2003年1月的《Telecommunication Systems(電信系統(tǒng)雜志)》上發(fā)表的“DV based positioning in ad hoc networks(自組織網(wǎng)絡(luò)中基于距離向量的定位算法)”文章中提出了DV-HOP算法，利用靜態(tài)錨節(jié)點估計出節(jié)點之間每跳的距離，測出節(jié)點之間的跳數(shù)之后，利用三邊定位方法經(jīng)行定位。該方法在各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)，可以得到合理的平均每跳距離，從而能夠達到適當?shù)亩ㄎ痪取５珜τ诰W(wǎng)絡(luò)拓撲不規(guī)則的隨機分布的稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，定位誤差比較大。
3、H.A.B.F.Oliveira等在2009年4月的《IEEE Wireless Communications(無線通信雜志)》上發(fā)表的文章“DV-Loca scalable localization protocol using Voronoidiagrams for wireless sensor networks(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種基于泰森圖的具有可擴展性的定位算法)”中提出DV-Loc算法，該方法利用移動錨節(jié)點組成泰森多邊形縮小定位區(qū)域，然后利用DV-HOP算法進行定位，該方法雖然提高了定位精度，但仍是基于DV-HOP算法，所以它并沒有克服DV-HOP本身的缺點，如每跳長度的值估計不準。
4、中國專利申請?zhí)枮?00810107062.7，名稱為一種基于單元格的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，中國專利申請?zhí)枮?00810107061.2，名稱為一種基于三跳環(huán)帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，這兩種技術(shù)都是將節(jié)點的圓形通信范圍轉(zhuǎn)化為正方形范圍，但是這種假設(shè)在真是環(huán)境中并不存在，因此在實際應(yīng)用中會存在一些問題。
5、K.F.Ssu等在2005年5月的《IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY(IEEE車載技術(shù)匯刊)》上發(fā)表“Localization with mobile anchor points in wirelesssensor networks(利用移動錨節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位算法)”一文中提出MAP算法，利用移動錨節(jié)點發(fā)送信標信息(beacon)來找到圓上的四個點組成一個圓的兩條弦，兩條弦的垂直平分線的交點即是未知節(jié)點的坐標。該方法大大減少了移動錨節(jié)點數(shù)量，但是信標節(jié)點的位置如果選取不合適，定位誤差將非常大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于泰森多邊形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法。本發(fā)明中的傳感器節(jié)點通過接收信號強度大小來判斷各自所在的位置，所提出的定位方法具有定位精度高、不易受環(huán)境因素影響、無需測距、成本低的優(yōu)點。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟 第一步，移動錨節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行初始化，將網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，并記錄網(wǎng)格信息。
第二步，未知節(jié)點廣播發(fā)送請求定位信息和定位精度信息，所有接收到該信息的移動錨節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信息，并根據(jù)定位精度信息確定移動錨節(jié)點位置的改變次數(shù)N。
所述的應(yīng)答信息包括移動錨節(jié)點的位置信息、ID(身份)信息和網(wǎng)格信息。
第三步，未知節(jié)點根據(jù)接收到的移動錨節(jié)點的應(yīng)答信息組建泰森圖，并根據(jù)應(yīng)答信息的強度判斷和記錄未知節(jié)點所在的泰森多邊形。
所述的泰森圖是將所有相鄰的三個移動錨節(jié)點連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，每個移動錨節(jié)點周圍的垂直平分線便圍成一個泰森多邊形，所有泰森多邊形組成的圖形即為泰森圖。
所述的未知節(jié)點所在的泰森多邊形是以未知節(jié)點接收到的應(yīng)答信息中信號強度最大的移動錨節(jié)點為中心的泰森多邊形，該泰森多邊形隨著移動錨節(jié)點位置的改變而發(fā)生變化。
第四步，移動錨節(jié)點進行N次位置改變，每次改變位置后重復(fù)第三步，未知節(jié)點記錄其所在的泰森多邊形，共得到(N+1)個泰森多邊形的重疊區(qū)域，利用網(wǎng)格掃描的方法得到重疊區(qū)域的重心，該重心的位置信息就是未知節(jié)點的位置信息。
所述的網(wǎng)格掃描的方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個網(wǎng)格的初始數(shù)值為0，隨著移動錨節(jié)點位置的N次變化，每次得到的未知節(jié)點所在的泰森多邊形中的網(wǎng)格數(shù)值都加1，在移動錨節(jié)點進行了N次移動后，查找數(shù)值最大的網(wǎng)格，所有數(shù)值最大的網(wǎng)格組成的圖形的重心就是未知節(jié)點的位置。
第五步，返回第二步，進行下一個未知節(jié)點的定位，直至得到所有未知節(jié)點的位置信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是 1、定位過程中不需要額外的通信消耗，僅僅通過接收信號強度即可完成定位，并且利用泰森圖消除了邊緣效應(yīng)，即節(jié)點位于區(qū)域的邊界也可以被定位，從而消除了“死點”的現(xiàn)象； 2、對網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點密度沒有限制，既可以在密集網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，也可以在稀疏網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，從而具有很好的可擴展性； 3、不需要大量的移動錨節(jié)點，降低了組網(wǎng)成本，也降低了通信負荷； 4、通信范圍為圓形，符合實際情況，易于在現(xiàn)實環(huán)境中實施，并且定位精度高。



圖1是實施例中未知節(jié)點X第一次所在的泰森多邊形示意圖； 圖2是實施例中未知節(jié)點X第二次所在的泰森多邊形示意圖； 圖3是實施例中未知節(jié)點X第三次所在的泰森多邊形示意圖； 圖4是實施例中網(wǎng)格掃描法的示意圖。

具體實施例方式 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法作進一步描述，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)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。
實施例 本實施例包括以下步驟 第一步，移動錨節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行初始化，將網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，并記錄網(wǎng)格信息。
本實施例中采用了八個移動錨節(jié)點(分別為A、B、C、D、E、F、G和H)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行初始化，得到的每個網(wǎng)格是0.3R×0.3R的正方形，其中R是傳感器節(jié)點的通信半徑。
第二步，未知節(jié)點X廣播發(fā)送請求定位信息和請求定位的精度信息，所有接收到該信息的移動錨節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信息，即移動錨節(jié)點的位置信息、ID信息和網(wǎng)格信息。
本實施例中未知節(jié)點X的定位精度是0.3R，其中R是傳感器節(jié)點的通信半徑。定位精度和泰森圖變化次數(shù)的關(guān)系見表1所示，由此可知本實施例中移動錨節(jié)點改變次數(shù)為兩次。
表1 第三步，未知節(jié)點X根據(jù)接收到的八個移動錨節(jié)點的應(yīng)答信息組建泰森圖，并根據(jù)應(yīng)答信息的強度判斷和記錄未知節(jié)點X所在的泰森多邊形。
所述的泰森圖是將所有相鄰的三個移動錨節(jié)點連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個移動錨節(jié)點周圍的垂直平分線便圍成一個泰森多邊形，所有泰森多邊形組成的圖形即為泰森圖。
所述的未知節(jié)點X所在的泰森多邊形是以未知節(jié)點X接收到的應(yīng)答信息中信號強度最大的移動錨節(jié)點為中心的泰森多邊形，該泰森多邊形隨著移動錨節(jié)點位置的改變而發(fā)生變化。
本實施例中未知節(jié)點X處在以移動錨節(jié)點H為中心的泰森五邊形內(nèi)，具體如圖1所示。
第四步，移動錨節(jié)點進行位置改變，移動錨節(jié)點A、B、C、D、E、F、G和H變化后的位置如圖2所示，重復(fù)第三步，記錄未知節(jié)點X所在的泰森多邊形，此時未知節(jié)點X接收到的應(yīng)答信息中信號強度最大的移動錨節(jié)點仍為H，因此未知節(jié)點X處在以移動錨節(jié)點H為中心的泰森六邊形內(nèi)，記錄此泰森多邊形。
第五步，移動錨節(jié)點再次改變位置，移動錨節(jié)點A、B、C、D、E、F、G和H變化后的位置如圖3所示，重復(fù)第三步，記錄未知節(jié)點X所在的泰森多邊形，此時未知節(jié)點X接收到的應(yīng)答信息中信號強度最大的移動錨節(jié)點為C，因此未知節(jié)點X處在以移動錨節(jié)點C為中心的泰森四邊形內(nèi)，記錄此泰森多邊形。
第六步，根據(jù)記錄的三個泰森多邊形，利用網(wǎng)格掃描的方法得到這三個泰森多邊形重疊區(qū)域的重心，該重心的位置信息就是未知節(jié)點X的位置信息。
如圖4所示，所述的網(wǎng)格掃描的方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個網(wǎng)格的初始數(shù)值為0，隨著移動錨節(jié)點位置的兩次變化，每次得到的未知節(jié)點X所在的泰森多邊形中的網(wǎng)格數(shù)值都加1，在移動錨節(jié)點進行了兩次移動后，查找數(shù)值最大的網(wǎng)格，所有數(shù)值最大的網(wǎng)格組成的圖形的重心就是未知節(jié)點X的位置。
第七步，返回第二步，進行下一個未知節(jié)點的定位，直至得到所有未知節(jié)點的位置信息。
本實施例的優(yōu)點簡單可靠，只用了八個移動錨節(jié)點就實現(xiàn)了未知傳感器節(jié)點的定位；不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的限制，可以擴大或縮小區(qū)域，改善了系統(tǒng)的可擴展性和可用性，降低了對硬件的要求，節(jié)省了成本；僅僅通過對比接收信號強度的大小，不需要把接收信號強度轉(zhuǎn)換成距離，用幾何方法得到位置信息，避免了因轉(zhuǎn)換而帶來的誤差，并且節(jié)省了大量的資源；定位的精度高，抗干擾能力強，尤其適合于對于節(jié)點計算能力有嚴格限制的場景，具有廣泛的應(yīng)用價值。
權(quán)利要求
1.一種基于泰森多邊形的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征在于，包括以下步驟
第一步，移動錨節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行初始化，將網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，并記錄網(wǎng)格信息；
第二步，未知節(jié)點廣播發(fā)送請求定位信息和定位精度信息，所有接收到該信息的移動錨節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信息，并根據(jù)定位精度信息確定移動錨節(jié)點位置的改變次數(shù)N；
第三步，未知節(jié)點根據(jù)接收到的移動錨節(jié)點的應(yīng)答信息組建泰森圖，并根據(jù)應(yīng)答信息的強度判斷和記錄未知節(jié)點所在的泰森多邊形；
第四步，移動錨節(jié)點進行N次位置改變，每次改變位置后重復(fù)第三步，未知節(jié)點記錄其所在的泰森多邊形，共得到(N+1)個泰森多邊形的重疊區(qū)域，利用網(wǎng)格掃描的方法得到重疊區(qū)域的重心，該重心的位置信息就是未知節(jié)點的位置信息；
第五步，返回第二步，進行下一個未知節(jié)點的定位，直至得到所有未知節(jié)點的位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于泰森多邊形的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征是，所述的應(yīng)答信息包括移動錨節(jié)點的位置信息、ID信息和網(wǎng)格信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于泰森多邊形的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征是，所述的泰森圖是將所有相鄰的三個移動錨節(jié)點連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，每個移動錨節(jié)點周圍的垂直平分線便圍成一個泰森多邊形，所有泰森多邊形組成的圖形即為泰森圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于泰森多邊形的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征是，所述的未知節(jié)點所在的泰森多邊形是以未知節(jié)點接收到的應(yīng)答信息中信號強度最大的移動錨節(jié)點為中心的泰森多邊形，該泰森多邊形隨著移動錨節(jié)點位置的改變而發(fā)生變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于泰森多邊形的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，其特征是，所述的網(wǎng)格掃描的方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個網(wǎng)格的初始數(shù)值為0，隨著移動錨節(jié)點位置的N次變化，每次得到的未知節(jié)點所在的泰森多邊形中的網(wǎng)格數(shù)值都加1，在移動錨節(jié)點進行了N次移動后，查找數(shù)值最大的網(wǎng)格，所有數(shù)值最大的網(wǎng)格組成的圖形的重心就是未知節(jié)點的位置。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的基于泰森多邊形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法，包括以下步驟移動錨節(jié)點將網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格；未知節(jié)點廣播發(fā)送請求定位信息，移動錨節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信息；根據(jù)接收到的移動錨節(jié)點的應(yīng)答信息組建泰森圖，并記錄未知節(jié)點所在的泰森多邊形；移動錨節(jié)點根據(jù)定位精度信息進行若干次位置改變，記錄未知節(jié)點所在的泰森多邊形，得到若干個泰森多邊形的重疊區(qū)域的重心，即未知節(jié)點的位置信息；進行下一個未知節(jié)點的定位，直至得到所有未知節(jié)點的位置信息。本發(fā)明提高了定位精度，降低了定位過程的計算及通信開銷，減少對移動錨節(jié)點密度的要求，符合實際情況，易于在現(xiàn)實環(huán)境中實施。
文檔編號H04W8/02GK101765091SQ201010300270
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者關(guān)新平, 袁風鵬, 陳彩蓮, 龍承念 申請人:上海交通大學