專利名稱：基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超寬帶(UWB)技術與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術，具體是一 種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法。
背景技術：
節(jié)點的準確定位是無線傳感器網(wǎng)絡應用的重要條件。獲得節(jié)點位置的一個 直接想法是使用全球定位系統(tǒng)(GPS)來實現(xiàn)，但是在無線傳感器網(wǎng)絡中使用GPS 來獲得所有節(jié)點的位置受到價格、體積、功耗等因素限制，存在著一些困難， 另外GPS也很難應用于室內無線傳感器網(wǎng)絡。根據(jù)定位機制，可將現(xiàn)有的無線 傳感器網(wǎng)絡自身定位算法分為兩類Range-based和Range-free,即基于測距 技術的定位算法和無需測距的定位算法。前者通過測量節(jié)點間點到點的距離或 者角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算節(jié)點位置； 后者無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡連通性等信息實現(xiàn)。無需測距定位機制 在成本、功耗等方面具有優(yōu)勢，但精度較低，主要算法包括質心算法、凸規(guī)劃 算法、DV-Hop、 Amorphous、 MDS-MAP和APIT算法等。超寬帶(UWB)通信技術是一種非傳統(tǒng)的、新穎的無線傳輸技術，它通常采 用極窄脈沖或極寬的頻譜傳送信息。相對于傳統(tǒng)的正弦載波通信系統(tǒng)，UWB無線 通信系統(tǒng)具有高傳輸速率、高空間頻譜效率、高測距精度、低截獲概率、抗多徑干擾等諸多優(yōu)點。 發(fā)明內容針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點 定位方法，它結合了超寬帶抗多徑與干擾能力強、抗截獲性好等優(yōu)點，具有定 位成本低、高精度、靈活性大等特點。本發(fā)明提供的這種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，利用超寬 帶作為傳感器節(jié)點的底層無線通信介質，在無線傳感節(jié)點與鄰節(jié)點進行通信時， 通過正常的數(shù)據(jù)包收發(fā)測得節(jié)點對之間的無線信號強度指示值，采用非度量多 維標度技術，直接利用節(jié)點間的無線信號強度指示值來進行定位，其中定位算 法分為三個階段以簇為單位的局部相對坐標圖定位階段、局部相對坐標圖合 并為全局相對坐標圖階段和相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段。進一步，其中局部相對坐標圖定位階段在節(jié)點上完成， 一個簇包含的范圍 是該節(jié)點的一跳鄰居節(jié)點，步驟包括-1) 在網(wǎng)絡的邊界處設定若千節(jié)點作為路由的終止節(jié)點，由sink節(jié)點作為始 發(fā)節(jié)點發(fā)起洪泛路由，當碰到終止節(jié)點時，該方向上的洪泛結束，由此 找到若干條由sink節(jié)點到終止節(jié)點的路由；2) 包含在每條始發(fā)節(jié)點到終節(jié)點路由上的每個節(jié)點分別以它自己為簇的 簇首節(jié)點，依次加入它的一跳鄰居節(jié)點進簇；3) 收集簇中各節(jié)點對之間的無線信號強度指示值構成稀疏矩陣，如果兩個節(jié)點的距離超過節(jié)點無線通信半徑，則對應的值為0;4) 由于簇中的一跳鄰居節(jié)點不能保證都互相連通，因此利用最短路徑算法 求得簇中每個節(jié)點對之間的信號強度值來構造非度量多維標度中的相 似性矩陣；5) 該路由上的每個節(jié)點以它自己為簇首，以簇為單位，分別用非度量多維 標度計算出簇中包含的所有節(jié)點的相對坐標，即為簇局部相對坐標圖；進一步，其中局部相對坐標圖合并為全局相對坐標圖階段是將計算出來的
簇局部相對坐標圖傳到sink節(jié)點，由與sink節(jié)點相連的計算機對其進行合并處 理。局部相對坐標圖合并為全局相對坐標圖時，首先選擇一個包含節(jié)點最多的 簇為起點，作為當前全局圖。接下來，每次合并時優(yōu)先選擇與當前全局圖的公 共節(jié)點數(shù)最多的簇局部相對坐標圖合并，把合并后的圖再作為當前全局圖，不 斷合并，直到當前全局圖中己包含了所有節(jié)點。進一步，其中合并處理是基于公共節(jié)點進行，采用最優(yōu)線性轉換，實現(xiàn)公 共節(jié)點從一個圖到另一個圖的變換，公共節(jié)點在局圖A和局圖B中的坐標矩陣 分別為Xa和Xb，確定從XB到XA的最優(yōu)線性轉換是使得轉換前后的差別最小， 即滿足mhgi0(A)-I』2 ，其中Q為線性轉換函數(shù)；進一步，其中合并處理中基于公共節(jié)點進行合并時，確定節(jié)點X在合并后 的新圖中的坐標采用以下原則如果X在圖A中而不在圖B中，取它在圖A的 坐標XA;如果X在圖B中而不在圖A中，取它轉換后的坐標Q(Xe);如果X 為圖A和圖B的公共節(jié)點，取它在圖A的坐標XA與它轉換后的坐標Q(Xb)兩 者的平均值。進一步地說，其中相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段是在與sink相連的 計算機上完成，該轉換是基于信標節(jié)點(少量已知位置的節(jié)點)進行的m個信標節(jié)點的相對位置為A-[W^—^^，K，&)，其信標節(jié)點的真實位置為 ^W一^^^K，D，先求出向量R變到向量T的轉換函數(shù)Q，再把所有節(jié)點 的相對坐標乘以轉換函數(shù)Q得到所有節(jié)點的絕對坐標。本發(fā)明的主要原理描述如下:在非度量多維標度中，實體間的相異(似) 性只需滿足一定的順序等級關系，而不需要定量地表示出來。根據(jù)各實體間的 相異性在多維空間上重構這些實體對應的點坐標時，滿足各實體間的相異性Pij 與對應各點間的距離dij(X)保持相同的順序等級關系，即對于任意i、 j、 k、 1，
如果Pi,P^，那么di,(x"4i(x)。選用無線信號強度來定位，是因為它相對于其 它方法如信號到達時間差、信號到達角度等來說，對硬件要求最簡單，滿足低 成本的要求，并且在無線傳感節(jié)點與鄰節(jié)點進行通信時，通過正常的數(shù)據(jù)包收 發(fā)就能測得其無線信號強度指示值。超寬帶由于具有多徑分辨能力、抗干擾能 力、穿透能力強的特點，使得它在復雜環(huán)境下能取得更準確得信號強度值。而無線信號傳播通常具有以下特性接收點離發(fā)送方越近，測得的信號強度越強； 接收點離發(fā)送方越遠，測得的信號強度越弱。無線信號強度指示值與距離的這 種單調關系正好滿足非度量多維標度中實體間相異性數(shù)據(jù)的要求，因此利用這 個特性提出直接在節(jié)點間的無線信號強度值上運用非度量多維標度算法來定位 節(jié)點。運用非度量多維標度算法進行定位分為三個階段以簇為單位的局部相對 坐標圖定位階段、局部圖合并為全局相對坐標圖階段和相對坐標圖到絕對坐標 圖的轉換階段1) 在網(wǎng)絡的邊界處設定若干節(jié)點作為路由的終止節(jié)點，由sink節(jié)點作為始 發(fā)節(jié)點發(fā)起洪泛路由，當碰到終止節(jié)點時，該方向上的洪泛結束，由此找到若干條由sink節(jié)點到終止節(jié)點的路由；2) 包含在每條始發(fā)節(jié)點到終節(jié)點路由上的每個節(jié)點分別以它自己為簇的 簇首節(jié)點，依次加入它的一跳鄰居節(jié)點進簇；3) 收集簇中各節(jié)點對之間的無線信號強度指示值構成稀疏矩陣，如果兩個節(jié)點的距離超過節(jié)點無線通信半徑，則對應的值為0;4) 由于簇中的一跳鄰居節(jié)點不能保證都互相連通，所以利用最短路徑算法求得簇中每個節(jié)點對之間的信號強度值來構造非度量多維標度中的相似性矩陣；5) 該路由上的每個節(jié)點以它自己為簇首，以簇為單位，分別用非度量多維 標度計算出簇中包含的所有節(jié)點的相對坐標，即為簇局部相對坐標圖；6) 計算出來的簇局部相對坐標圖傳到sink節(jié)點，由與sink節(jié)點相連的i十算 機進行合并處理；7) 在與sink相連的計算機上完成相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段。 本發(fā)明結合了超寬帶抗多徑與干擾能力強、抗截獲性好等優(yōu)點，具有定位成本低、高精度、靈活性大等特點。


圖1是本發(fā)明的節(jié)點定位方法的流程圖。 圖2是本發(fā)明的簇形成的示意圖。 圖3本發(fā)明的實施例中簇2的局部相對坐標圖。 圖4本發(fā)明的實施例中簇1的局部相對坐標圖。 圖5本發(fā)明的實施例中合并坐標圖。 圖6為本發(fā)明最終的定位結果。
具體實施方式
下面，參照

本發(fā)明的實施方式。圖1是本發(fā)明的節(jié)點定位方法的流程圖。本定位算法分為三個階段以簇 為單位的局部相對坐標圖定位階段、局部相對坐標圖合并為全局相對坐標圖階 段和相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段。其具體步驟包括-1) 在網(wǎng)絡的邊界處設定若干節(jié)點作為路由的終止節(jié)點。由sink節(jié)點作為 始發(fā)節(jié)點發(fā)起洪泛路由，當碰到終止節(jié)點時，該方向上的洪泛結束， 由此找到若千條由sink節(jié)點到終止節(jié)點的路由；2) 包含在每條始發(fā)節(jié)點到終節(jié)點路由上的每個節(jié)點分別以它自己為簇
的簇首節(jié)點，依次加入它的一跳鄰居節(jié)點進簇；3) 收集簇中各節(jié)點對之間的無線信號強度指示值構成稀疏矩陣，如果兩 個節(jié)點的距離超過節(jié)點無線通信半徑，則對應的值為0;4) 由于簇中的一跳鄰居節(jié)點不能保證都互相連通，所以利用最短路徑算 法求得簇中每個節(jié)點對之間的信號強度值來構造非度量多維標度中 的相似性矩陣；5) 該路由上的每個節(jié)點以它自己為簇首，以簇為單位，分別用非度量多 維標度計算出簇中包含的所有節(jié)點的相對坐標，即為簇局部相對坐標 圖；6) 計算出來的簇局部相對坐標圖傳到sink節(jié)點，與sink節(jié)點相連的計算 機對其進行合并處理；7) 在與sink相連的計算機上完成相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段。 圖2是本發(fā)明的簇形成示意圖。圖中16個節(jié)點放置成字母L型的不規(guī)則網(wǎng)格形狀，節(jié)點的無線通信半徑為9，節(jié)點之間的連線表示連通情況。其中節(jié)點l 為sink節(jié)點，在網(wǎng)絡的邊界處設置節(jié)點5和節(jié)點15為終止節(jié)點。由sink節(jié)點 1發(fā)起洪泛路由，找到始發(fā)節(jié)點1到終止節(jié)點5和15的路由分別為1一3—5和 1 —11 —15。沿每條由始發(fā)節(jié)點到終止節(jié)點的路由上的每個節(jié)點分別為節(jié)點1、3、 5、 11、 15,以自己為簇首節(jié)點，依次加入它的一跳鄰居節(jié)點進簇，由此形成5 個簇，在圖中分別用5個圓表示。由節(jié)點1為簇首的簇1包含節(jié)點1、 2、 3、 6、 7、 8、 11、 12，由節(jié)點3為簇首的簇2包含節(jié)點1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 12，由節(jié)點5為簇首的簇3包含節(jié)點3、 4、 5、 8、 9、 10，由節(jié)點11為簇 首的簇4包含節(jié)點1、 2、 6、 7、 8、 11、 12、 13、 14、 15、 16，由節(jié)點15為簇 首的簇5包含節(jié)點11、 12、 13、 14、 15、 16。對5個簇分別用非度量多維標度 計算簇局部相對坐標。圖3是以節(jié)點3為簇首的簇2的局部相對坐標圖，圖4是以節(jié)點l為簇首的簇1的局部相對坐標圖。簇局部相對坐標圖合并時以包含節(jié)點數(shù)目最多的簇 為基準，選擇與之公共節(jié)點最多的簇進行合并。圖中以簇2為基準，公共節(jié)點從簇1到簇2的最優(yōu)線性轉換函數(shù)為<formula>formula see original document page 10</formula>圖5為兩個簇局部相對坐標圖合并以后的坐標，其中簇1和簇2的公共節(jié) 點l、 2、 3、 6、 7、 8、 12合并以后的坐標取它們在簇2的坐標乂2與簇1轉換 后的坐標Q(X,)兩者的平均值；節(jié)點4、 5在簇2中而不在簇1中，取它原來在 簇2的坐標Xv節(jié)點ll在簇l中而不在簇2中，取它轉換后的坐標Q(X,)。圖6為最終的定位結果。圖中選取節(jié)點7、 10、 16為三個位置已知的信標 節(jié)點，用五角星表示，帶箭頭的實線表示估計的位置與真實位置的誤差。3個信標節(jié)點的相對位置為<formula>formula see original document page 10</formula>，其信標節(jié)點的真實位置為4 4 16 4 4 16，先求出向量R變到向量T的最優(yōu)轉換函數(shù)Q，再把所有節(jié)點的相對坐標通過轉換函數(shù)Q得到所有節(jié)點的絕對坐標，其中轉換函數(shù)Q為<formula>formula see original document page 10</formula>
權利要求
1、一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，利用超寬帶作為傳感器節(jié)點的底層無線通信介質，在無線傳感節(jié)點與鄰節(jié)點進行通信時，通過正常的數(shù)據(jù)包收發(fā)測得節(jié)點對之間的無線信號強度指示值，采用非度量多維標度技術，直接利用節(jié)點間的無線信號強度指示值來進行定位，其特征在于，定位算法分為三個階段以簇為單位的局部相對坐標圖定位階段、局部相對坐標圖合并為全局相對坐標圖階段和相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，所述局部相對坐標圖定位階段在節(jié)點上完成， 一個簇包含的范圍 是該節(jié)點的一跳鄰居節(jié)點，步驟包括1) 在網(wǎng)絡的邊界處設定若干節(jié)點作為路由的終止節(jié)點，由sink節(jié)點作為始發(fā)節(jié)點發(fā)起洪泛路由，當碰到終止節(jié)點時，該方向上的洪泛結束，由此 找到若干條由sink節(jié)點到終止節(jié)點的路由；2) 包含在每條始發(fā)節(jié)點到終節(jié)點路由上的每個節(jié)點分別以它自己為簇的 簇首節(jié)點，依次加入它的一跳鄰居節(jié)點進簇；3) 收集簇中各節(jié)點對之間的無線信號強度指示值構成稀疏矩陣，如果兩個 節(jié)點的距離超過節(jié)點無線通信半徑，則對應的值為0;4) 由于簇中的一跳鄰居節(jié)點不能保證都互相連通，因此利用最短路徑算法 求得簇中每個節(jié)點對之間的信號強度值來構造非度量多維標度中的相 似性矩陣；5) 該路由上的每個節(jié)點以它自己為簇首，以簇為單位，分別用非度量多維 標度計算出簇中包含的所有節(jié)點的相對坐標，即為簇局部相對坐標圖，
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，所述局部相對坐標圖合并為全局相對坐標圖階段是將計算出來的簇局部相對坐標圖傳到sink節(jié)點，由與sink節(jié)點相連的計算機對其進行合并處理。
4、 根據(jù)權利要求3所述的一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，所述合并處理是基于公共節(jié)點進行，采用最優(yōu)線性轉換，實現(xiàn)公 共節(jié)點從一個圖到另一個圖的變換，公共節(jié)點在局圖A和局圖B中的坐標矩陣 分別為Xa和Xb，確定從XB到XA的最優(yōu)線性轉換是使得轉換前后的差別最小，即滿足mirye(A)-^112 ，其中T為線性轉換函數(shù),
5、 根據(jù)權利要求4所述的一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，所述合并處理中基于公共節(jié)點進行合并時，確定節(jié)點X在合并后 的新圖中的坐標采用以下原則如果X在圖A中而不在圖B中，取它在圖A的 坐標XA;如果X在圖B中而不在圖A中，取它轉換后的坐標Q(XB);如果X 為圖A和圖B的公共節(jié)點，取它在圖A的坐標XA與它轉換后的坐標Q(Xe)兩 者的平均值。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法， 其特征在于，相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段是在與sink相連的計算機上 完成，該轉換是基于信標節(jié)點進行的。假設m個信標節(jié)點的相對位置為 h[d,:(HK人)，其信標節(jié)點的真實位置為r葉';U二(^H乙)，先求出向量R變到向量T的變換矩陣Q，再把所有節(jié)點的相對坐標乘以變換矩陣Q 得到所有節(jié)點的絕對坐標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超寬帶的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，本發(fā)明用超寬帶作為無線傳感器節(jié)點的通信介質，通過正常的數(shù)據(jù)包收發(fā)測得節(jié)點對之間的無線信號強度指示值，采用非度量多維標度技術直接利用節(jié)點間的無線信號強度指示值進行定位。其中定位算法分為三大階段以簇為單位的局部相對坐標圖定位階段、局部圖合并為全局相對坐標圖階段和相對坐標圖到絕對坐標圖的轉換階段。本發(fā)明結合了超寬帶抗多徑與干擾能力強、抗截獲性好等諸多優(yōu)點，使定位具有成本低、高精度、靈活性大等特點。
文檔編號H04L29/12GK101155198SQ20061003235
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權日2006年9月29日
發(fā)明者彬 付, 文建國, 曾凡仔, 李仁發(fā), 李瑞芳, 娟 羅, 玲 肖, 魏葉華 申請人:湖南大學