一種利用多跳未知節(jié)點(diǎn)鄰居來(lái)提高定位精度的定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種未知節(jié)點(diǎn)定位方法，特別是一種利用多跳未知節(jié)點(diǎn)鄰居來(lái)提高定 位精度的定位方法，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)定位過(guò)程中是否需要測(cè)距，目前常用的定位算法可以分為基于測(cè)距的定位算 法和非測(cè)距的定位算法。由于非測(cè)距的定位算法不需要傳感器節(jié)點(diǎn)配置額外的硬件，同時(shí) 能量消耗低、便于部署、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因此能滿足大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。
[0003] 目前研究主要就集中在非測(cè)距的定位算法方面，國(guó)內(nèi)外的研究者也提出了許多非 測(cè)距的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法，下面例舉幾個(gè)算法并分別簡(jiǎn)要分析它們的優(yōu)劣之 處。
[0004] Nicolescu D 提出的 DV-Ηορ 算法（Dragos Nioulescu and Badri Nath, "DV based positioning in ad hoc networks，'，in Journal Telecommunication Systems，PP. 267-280, 2003.)是最早的非測(cè)距定位算法。該算法使用節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)來(lái)衡 量節(jié)點(diǎn)之間的距離，在網(wǎng)絡(luò)分布均勻的情況下能夠達(dá)到較好的效果。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分 布不均勻時(shí)，平均每跳距離的計(jì)算將會(huì)出現(xiàn)比較大的偏差，定位精度也會(huì)受到較大的影響。
[0005] 在 DV-Ηορ 算法的基礎(chǔ)上，Agpal R N 提出了 Amorphous 算法（Nagpal R, Shrobe H and Bachrach J,''Organizaing a global coordirate systerm from local information on an AD Hoc sensor network[C]. in Proc. Int. Workshop on infremation Processing in Sensor Networks, 2003, LNCS2634, PP. 333-348. 2003.)。該算法使用節(jié)點(diǎn)的通信半徑作 為平均每跳距離，雖然網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)銷(xiāo)降低并且計(jì)算簡(jiǎn)單，但是定位誤差較大。
[0006] Simics N在同一時(shí)期提出了 BoundingBox算法（Slobodan N Simic and Shankar Sastry, "Distributed localization in wireless ad hoc networks，'，in Technical Import，PP. 1-13, 2001.)。該算法將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信區(qū)域設(shè)定為一個(gè)正方形，未知節(jié)點(diǎn)把其 所有直接信標(biāo)節(jié)點(diǎn)鄰居的正方形通信區(qū)域的交集作為自己的可能位置區(qū)域，并取其中心作 為自己的定位位置，該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便。但是該算法假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)具有同樣 大小的正方形通信范圍，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度要求相對(duì)較高，所以在應(yīng)用中不是 特別廣泛。
[0007] He T等人將三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試定理引入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位領(lǐng)域，提出了 APIT 算法(T. He, C. Huang, B. M. Blum, J. A. S tankovic, and T. Abdelzaher, "Range-free Localization Schemes in Large Scale Sensor Networks"，in Proceedings of the9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(MbiCom2003) ，PP. 81-95, 2003)。該算法采用近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法來(lái)判斷未知節(jié)點(diǎn)是否位于以任意三個(gè) 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)所組成的三角形內(nèi)，然后求出未知節(jié)點(diǎn)在其內(nèi)的所有三角形的重疊區(qū)域作 為該未知節(jié)點(diǎn)的可能位置區(qū)域，并以其重心作為該未知節(jié)點(diǎn)的定位位置。APIT算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn) 單，但是因?yàn)檫M(jìn)行PIT測(cè)試，所以網(wǎng)絡(luò)的通信開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)較大。且由于其定位覆蓋率有限，平 均定位精度有限。
[0008] 所以在節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)能量有限的情況下，最大限度提高定位精度是一個(gè)很受關(guān)注的 問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的能量消耗與定位 精度不能同時(shí)達(dá)到滿意結(jié)果的情況，提出一種利用多跳未知節(jié)點(diǎn)來(lái)提高定位精度的定位方 法。
[0010] 本發(fā)明首先假定：
[0011] 1、網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?yàn)榫匦危W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為n，其中錨點(diǎn)數(shù)量為m ;
[0012] 2、由于個(gè)體及測(cè)量誤差的存在，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大通信半徑和最小通信半徑 是不相同的；
[0013] 3、每一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)已知；
[0014] 4、為了工程計(jì)算的方便，所有節(jié)點(diǎn)的可能通信范圍與必然通信范圍都被當(dāng)做圓來(lái) 處理。
[0015] 本發(fā)明的大概思路為：未知節(jié)點(diǎn)利用網(wǎng)絡(luò)中其它未知節(jié)點(diǎn)鄰居相對(duì)于自己的虛擬 通信圓以及未知節(jié)點(diǎn)鄰居的必然通信圓，分別與未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域之間的位置 關(guān)系來(lái)不斷縮小未知節(jié)點(diǎn)的可能位置區(qū)域，未知節(jié)點(diǎn)遍歷網(wǎng)絡(luò)中所有的未知節(jié)點(diǎn)鄰居，當(dāng) 未知節(jié)點(diǎn)的PLA不再變化時(shí),計(jì)算出此時(shí)未知節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可能位置區(qū)域的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn) 的估計(jì)位置。
[0016] 在對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行描述之前，先對(duì)一些名詞術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義：
[0017] 未知節(jié)點(diǎn)：為未知坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)。
[0018] 未知節(jié)點(diǎn)的可能位置區(qū)域：在本發(fā)明每一步驟操作之后均保證其為一個(gè)凸多邊形 形狀。
[0019] 未知節(jié)點(diǎn)的可能位置圓：包含未知節(jié)點(diǎn)的可能位置區(qū)域的所有頂點(diǎn)的最小圓。
[0020] 如2所示為未知節(jié)點(diǎn)U1的當(dāng)前可能位置區(qū)域和可能位置圓的示意圖。
[0021] 未知節(jié)點(diǎn)的必然通信圓（在后文中有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為必然通信圓）：圓心為未知節(jié)點(diǎn)的 當(dāng)前坐標(biāo)位置，半徑為該未知節(jié)點(diǎn)的最小通信半徑。
[0022] 未知節(jié)點(diǎn)鄰居相對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)的虛擬通信圓（在后文中有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為虛擬通信 圓）：圓心為未知節(jié)點(diǎn)鄰居的當(dāng)前坐標(biāo)位置，半徑為該未知節(jié)點(diǎn)鄰居的可能通信圓的半徑 加上彳Λ^,Α。丨集合中所有節(jié)點(diǎn)的最大通信半徑的累加和。
[0023] 如圖3所示為未知節(jié)點(diǎn)U1的必然通信圓和虛擬通信圓的示意圖。
[0024] 未知節(jié)點(diǎn)的可能通信圓：圓心為未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前坐標(biāo)位置，半徑為該未知節(jié)點(diǎn)的 最大通信半徑。
[0025] _drf.,.Asj集合：從未知節(jié)點(diǎn)鄰居As(l彡s彡m)到未知節(jié)點(diǎn)U d(m+1彡d彡η)所經(jīng) 過(guò)的跳數(shù)最少的路徑上的未知節(jié)點(diǎn)的集合，包括中間經(jīng)過(guò)的全部未知節(jié)點(diǎn)但不包括作為起 始節(jié)點(diǎn)的Ud節(jié)點(diǎn)和作為目的節(jié)點(diǎn)的As節(jié)點(diǎn)。
[0026] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0027] -種利用多跳未知節(jié)點(diǎn)鄰居來(lái)提高定位精度的定位方法，包括以下步驟：
[0028] 步驟一、未知節(jié)點(diǎn)搜集網(wǎng)絡(luò)中其他未知節(jié)點(diǎn)鄰居的當(dāng)前可能位置區(qū)域信息以及距 離自己的跳數(shù)信息。
[0029] 步驟二、未知節(jié)點(diǎn)按照每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)鄰居到自己的跳數(shù)從小到大的順序依次遍歷 自己的所有未知節(jié)點(diǎn)鄰居，未知節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)鄰居的處理過(guò)程具體如下：
[0030] A、求出未知節(jié)點(diǎn)鄰居相對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前虛擬通信圓；
[0031] B、若該虛擬通信圓與未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域有部分交集，則繼續(xù)執(zhí)行C步 驟，若該虛擬通信圓包含未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域，則不做任何處理，直接跳到下一個(gè) 未知節(jié)點(diǎn)鄰居；
[0032] C、找到未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域位于該虛擬通信圓外的所有頂點(diǎn)并將這些 頂點(diǎn)與虛擬通信圓的圓心分別連接成直線；
[0033] D、通過(guò)這些直線與虛擬通信圓的交點(diǎn)作虛擬通信圓的切線，這些切線分別將未知 節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域切分為兩部分；
[0034] E、未知節(jié)點(diǎn)分別以這些切線為界，消除遠(yuǎn)離該虛擬通信圓的當(dāng)前可能位置區(qū)域的 部分，將剩余部分作為更新后的當(dāng)前可能位置區(qū)域。
[0035] 步驟三、未知節(jié)點(diǎn)按照每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)鄰居到自己的跳數(shù)從小到大的順序依次遍歷 自己的所有跳數(shù)大于1的未知節(jié)點(diǎn)鄰居，未知節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)鄰居的處理過(guò)程具體如 下：
[0036] A、未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的當(dāng)前可能位置區(qū)域求出當(dāng)前可能位置圓，并求出未知節(jié)點(diǎn) 鄰居的必然通信圓；
[0037] B、若該必然通信圓與未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域有交集區(qū)域，則執(zhí)行C步驟， 若該必然通信圓與未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域無(wú)交集區(qū)域，則不做任何處理，直接跳到 下一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)鄰居；
[0038] C、求出該必然通信圓與未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置圓的兩個(gè)交點(diǎn)所在直線，該直線 將未知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可能位置區(qū)域切分成兩部分；
[0039] D、消除靠近必然通信圓的當(dāng)前可能位置區(qū)域的部分，將剩余部分作為更新后的當(dāng) 前可能位置區(qū)域。
[0040] 步驟四、未知節(jié)點(diǎn)將自己更新后的當(dāng)前可能位置區(qū)域廣播給其他未知節(jié)點(diǎn)鄰居， 其他未知節(jié)點(diǎn)鄰居根據(jù)本未知節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的可能位置區(qū)域更新自己的可能位置區(qū)域，然后再 分別將結(jié)果廣播給本未知節(jié)點(diǎn)，如此反復(fù)計(jì)算，一直到網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點(diǎn)的可能位置區(qū) 域不再變化。
[0041] 步驟五、未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算最后得到的可能位置區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)，作為該未知節(jié)點(diǎn)的 估計(jì)位置。
[0042] 綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果有以下幾點(diǎn)：
[0043] 1、利用網(wǎng)絡(luò)中所有多跳未知節(jié)點(diǎn)鄰居的位置信息以及跳數(shù)關(guān)系來(lái)進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn) 的可能位置區(qū)域的消除，有效地提高了定位精度。
[0044] 2、本發(fā)明提出的計(jì)算方法基于對(duì)凸多邊形的運(yùn)算，計(jì)算量小，可以有效減小節(jié)點(diǎn) 及網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1是本發(fā)明的閥體流程圖。
[0046] 圖2顯示了本發(fā)明中未知節(jié)點(diǎn)U1的可能位置區(qū)域Vpu(U 1)和可能位置圓V^(U1) 之間的關(guān)系。其中，4為可能位置圓V^(U1)的半徑。
[0047] 圖3顯示了本發(fā)明中未知節(jié)點(diǎn)U1的可能通信圓Vra(U 1)和必然通信圓Vra(U1) 之間的關(guān)系。其中，可能通信圓V ra(U1)的半徑為必然通信圓Vira(U1)的半徑為
為未知節(jié)點(diǎn)U1的最大通信半徑，.為未知節(jié)點(diǎn)U1的最小通信半徑。
[0048] 圖4顯示了本發(fā)明實(shí)施例中利用未知節(jié)點(diǎn)U2的可能通信圓Vrce(U 2)來(lái)縮小未知節(jié) 點(diǎn)U1的當(dāng)前可能位置區(qū)域Va(U1)。
[0049] 圖5顯示了本發(fā)明實(shí)施例中利用未知節(jié)點(diǎn)U3相對(duì)于U1的虛擬通信圓V veeOJ1, U3) 來(lái)縮小未知節(jié)點(diǎn)U1的當(dāng)前可能位置區(qū)域Vpu(U 1)。