專利名稱：基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲通信與水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，涉及水下通信、水下節(jié)點(diǎn)定位、水下網(wǎng)絡(luò)三個(gè)領(lǐng)域，具體就是一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，適用于各種水下無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一，對(duì)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說，節(jié)點(diǎn)的位置信息非常重要，它可用于標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源的位置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、基于?jié)點(diǎn)位置的路由協(xié)議和基于地理位置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)等。它是當(dāng)前海洋開發(fā)與海洋技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代海洋高技術(shù)的不斷引入和支持下，水下定位技術(shù)在海底環(huán)境探測(cè)、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)、海洋科學(xué)發(fā)展以及國(guó)家海洋權(quán)益的維護(hù)等多方面都將發(fā)揮極其重要的作用。自定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)重要技術(shù)，到目前為止，針對(duì)自定位問題人們提出了很多算法。根據(jù)定位算法是否需要使用鄰居節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)距信息，定位算法大致可以分為兩類基于測(cè)距(Range-based)的定位算法和免測(cè)距(Range-free)的定位算法?；跍y(cè)距的定位算法很多，代表性的算法有三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法、極大似然定位法、AHLos算法、Generic Localized Algorithm算法、MDS-Map算法等。三邊測(cè)量法、 三角測(cè)量法和極大似然定位法通過測(cè)量與多個(gè)鄰居錨節(jié)點(diǎn)(即位置信息已知的節(jié)點(diǎn))的距離或角度信息得到未知節(jié)點(diǎn)自身坐標(biāo)。使用這三種方法運(yùn)算量不大，定位精度也較高但所需錨節(jié)點(diǎn)數(shù)較大。在錨節(jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，AHLos算法、GenericLocalized Algorithm算法將定位后的未知節(jié)點(diǎn)升級(jí)為準(zhǔn)錨節(jié)點(diǎn)，完成多跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)結(jié)點(diǎn)自定位。這兩種算法解決了錨節(jié)點(diǎn)較稀疏時(shí)的問題，但由于對(duì)多跳未知節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)錨節(jié)點(diǎn)升級(jí)使得測(cè)距誤差與定位誤差累積，導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)自定位精度不高，尤其是在錨節(jié)點(diǎn)很少網(wǎng)絡(luò)直徑較大的網(wǎng)絡(luò)中。MDS-Map算法通過從全局角度生成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離矩陣，根據(jù)距離矩陣給出的節(jié)點(diǎn)間的連通信息如鄰居節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離，通過最短路徑法粗略地估計(jì)未知結(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位。為獲取網(wǎng)絡(luò)距離矩陣，該算法存在通信量大的問題，基于距離估計(jì)值計(jì)算結(jié)點(diǎn)定位信息，將導(dǎo)致低的定位精度。非測(cè)距網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位方法，利用平均單跳距離、未知結(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)等信息以及質(zhì)心理論，采用一定的距離估計(jì)方法估計(jì)未知結(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而完成結(jié)點(diǎn)自定位。一般而言，非測(cè)距網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位方法獲得的定位精度要低于基于測(cè)距的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位方法。水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，GPS無線電信號(hào)在水下衰減很快，必須通過其他復(fù)雜手段才能獲得水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)位置信息，因此錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜過多。為此，如何在錨節(jié)點(diǎn)很少的情況下，以低的開銷完成每個(gè)結(jié)點(diǎn)的精確自定位是水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位研究的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位方法，針對(duì)水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點(diǎn)密度小、帶寬與能耗有限，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的定位精度低的問題。本發(fā)明的思想在于技術(shù)方案一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位方法，其特征在于水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)由錨結(jié)點(diǎn)和若干普通結(jié)點(diǎn)組成，利用低速率傳輸LM實(shí)現(xiàn)無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的精確測(cè)距，利用高速率傳輸HM實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的其他信息傳輸；所述錨結(jié)點(diǎn)是能夠得到其絕對(duì)位置信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，或無法獲得其絕對(duì)位置信息但可以作為網(wǎng)絡(luò)其他結(jié)點(diǎn)定位參考的結(jié)點(diǎn)；所述普通結(jié)點(diǎn)為通過其與錨結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信得到距離信息進(jìn)而完成自定位的待定位結(jié)點(diǎn)；具體步驟如下步驟1 錨結(jié)點(diǎn)m采用LM模式在、時(shí)刻發(fā)送hello分組；所述hello分組內(nèi)包括該分組的類型、發(fā)送該hello分組的結(jié)點(diǎn)的ID、發(fā)送該hello分組的結(jié)點(diǎn)的類型、發(fā)送該 hello分組的時(shí)刻等信息；步驟2 在、時(shí)刻普通結(jié)點(diǎn)i收到該hello分組，i表示普通結(jié)點(diǎn)的ID, i = 1,2, 3.... n-1 ；依據(jù)Di, N1 = Tproc · Vs計(jì)算該普通結(jié)點(diǎn)i與錨結(jié)點(diǎn)之間的距離，其中Tpra。表示聲信號(hào)在水聲信道中的傳播時(shí)延Tpra。= (t.-to)，Vs表示聲波在水中的傳播速度；步驟3 普通結(jié)點(diǎn)i依據(jù)其結(jié)點(diǎn)ID的次序，采用LM模式依次發(fā)送其產(chǎn)生的hello 分組，每個(gè)結(jié)點(diǎn)廣播hello分組的時(shí)刻分別為t' i ；步驟4 錨結(jié)點(diǎn)m收到來自任意普通結(jié)點(diǎn)i的hello分組的時(shí)刻為t' N1, i，任意普通結(jié)點(diǎn)i收到來自任意普通結(jié)點(diǎn)j的hello分組的時(shí)刻為t' μ.，其中j興i，j = 1,2, 3. . . . n-1 依據(jù)IVj = (t' NljJ-t' J · Vs計(jì)算錨結(jié)點(diǎn)附到任意普通結(jié)點(diǎn)j之間的距離； 依據(jù)Diij = (t' i,rt' 0 · Vs計(jì)算任意普通結(jié)點(diǎn)i到j(luò)的距離；步驟5 由步驟4得到的錨結(jié)點(diǎn)m到任意普通結(jié)點(diǎn)之間的距離，按照 Dmj =max{Z)Aril,Dwi2,Dwi3,....,Dot^1)，選取距離錨結(jié)點(diǎn)附最遠(yuǎn)的普通結(jié)點(diǎn)作為第二個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N2，即N2 = j* ；Nl將獲得的全部測(cè)距信息IDn1i1, Dn1j2, Dn1j3, · · ·，Dni, n_J以HM模式發(fā)給N2;步驟6 :N2依據(jù)本地測(cè)距信息，Dn2j2, Dn2j3, . . . .，DN2, n_J及由步驟5中收到來自錨結(jié)點(diǎn) m 的測(cè)距信息{DNia，Dn1j2, Dni,3，.... , Dni, n_J，按照 Dmj' +Dn2J‘= max(TV1 +D卿DNh2 +DN2’2, DNh3 + DN2’3”...，D— +DN2n_,}，選擇距離 Nl 與N2 之和最大的結(jié)點(diǎn)作為第三個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N3，即N3 = j**, N2將第三個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N3的ID j**及N2到N3 間的距離DN2, N3以LM模式發(fā)給錨結(jié)點(diǎn)m ；步驟7 依據(jù)步驟5和6得到的兩個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N2和N3，錨結(jié)點(diǎn)附建立以錨結(jié)點(diǎn)附為原點(diǎn)的坐標(biāo)系以m為原點(diǎn)，m與N2的連線作為X軸，N2的坐標(biāo)為(DN1,N2，0)，Y軸定義為以沿X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度所得的方向線，在以此坐標(biāo)系下利用Dni,N2、DN2,N3與Dni,N3計(jì)算N3 的坐標(biāo)(x3，y3)，其中
權(quán)利要求
1. 一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位方法，其特征在于水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)由錨結(jié)點(diǎn)和若干普通結(jié)點(diǎn)組成，利用低速率傳輸LM實(shí)現(xiàn)無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的精確測(cè)距，利用高速率傳輸HM實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的其他信息傳輸；所述錨結(jié)點(diǎn)是能夠得到其絕對(duì)位置信息的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，或無法獲得其絕對(duì)位置信息但可以作為網(wǎng)絡(luò)其他結(jié)點(diǎn)定位參考的結(jié)點(diǎn)；所述普通結(jié)點(diǎn)為通過其與錨結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信得到距離信息進(jìn)而完成自定位的待定位結(jié)點(diǎn)；具體步驟如下步驟1 錨結(jié)點(diǎn)m采用LM模式在、時(shí)刻發(fā)送hello分組；所述hello分組內(nèi)包括該分組的類型、發(fā)送該hello分組的結(jié)點(diǎn)的ID、發(fā)送該hello分組的結(jié)點(diǎn)的類型、發(fā)送該hello 分組的時(shí)刻等信息；步驟2 在、時(shí)刻普通結(jié)點(diǎn)i收到該hello分組，i表示普通結(jié)點(diǎn)的ID，i = 1,2, 3.... n-1 ；依據(jù)Di, N1 = Tproc · Vs計(jì)算該普通結(jié)點(diǎn)i與錨結(jié)點(diǎn)之間的距離，其中Tpra。表示聲信號(hào)在水聲信道中的傳播時(shí)延Tpra。= (t.-to)，Vs表示聲波在水中的傳播速度；步驟3 普通結(jié)點(diǎn)i依據(jù)其結(jié)點(diǎn)ID的次序，采用LM模式依次發(fā)送其產(chǎn)生的hello分組， 每個(gè)結(jié)點(diǎn)廣播hello分組的時(shí)刻分別為t' i ；步驟4 錨結(jié)點(diǎn)m收到來自任意普通結(jié)點(diǎn)i的hello分組的時(shí)刻為t ‘ N1, 任意普通結(jié)點(diǎn)i收到來自任意普通結(jié)點(diǎn)j的hello分組的時(shí)刻為t' i,」，其中j ^i, J = 1,2, 3.... n-1 依據(jù)IVj = (t' NljJ-t' J · Vs計(jì)算錨結(jié)點(diǎn)附到任意普通結(jié)點(diǎn)j之間的距離； 依據(jù)Diij = (t' i,rt' 0 · Vs計(jì)算任意普通結(jié)點(diǎn)i到j(luò)的距離；步驟5 由步驟4得到的錨結(jié)點(diǎn)m到任意普通結(jié)點(diǎn)之間的距離，按照 Dmj =max{Z)Aril,Dwi2,Dwi3,....,Dot^1)，選取距離錨結(jié)點(diǎn)附最遠(yuǎn)的普通結(jié)點(diǎn)作為第二個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N2，即N2 = j* ；Nl將獲得的全部測(cè)距信息{DNia，Dn1j2, Dn1j3, · · · ·，Dni,n_J以HM模式發(fā)給N2;步驟6 :N2依據(jù)本地測(cè)距信息{DN2,1; Dn2j2, Dn2j3, .... , DN2, n_J及由步驟5中收到來自錨結(jié)點(diǎn)附的測(cè)距信息{D^，Dn1j2, Dni,3，.... , Dni, n_J，按照Dmj' +DN2j‘= max(TV1 +D卿DNh2 +DN2’2, DNh3 + DN2’3”...，D— +DN2n_,}，選擇距離 Nl 與N2 之和最大的結(jié)點(diǎn)作為第三個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N3，即N3 = j**, N2將第三個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N3的ID j**及N2到N3 間的距離DN2, N3以LM模式發(fā)給錨結(jié)點(diǎn)m ；步驟7 依據(jù)步驟5和6得到的兩個(gè)參考結(jié)點(diǎn)N2和N3，錨結(jié)點(diǎn)m建立以錨結(jié)點(diǎn)m為原點(diǎn)的坐標(biāo)系以m為原點(diǎn)，m與N2的連線作為X軸，N2的坐標(biāo)為(DN1,N2，0)，Y軸定義為以沿X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度所得的方向線，在以此坐標(biāo)系下利用DN1,N2、DN2,N3與Dni,N3計(jì)算N3D2 -L D2 _ D2 的坐標(biāo)(x3，y3)，其中X3=啊 ^w，v _ l^^r.zljNlN1^3 - ^ly N1N3 ~ X 3，步驟8 錨結(jié)點(diǎn)m將上一步驟得到的m、N2、N3三個(gè)參考結(jié)點(diǎn)ID及坐標(biāo){(X15Y1)、(x2, y2)、(x3，y3)}以LM模式發(fā)送出去；步驟9 全網(wǎng)其他結(jié)點(diǎn)收到參考結(jié)點(diǎn)信息之后，網(wǎng)絡(luò)中任意待定位結(jié)點(diǎn)i依據(jù) ^J(X1-X1)2 +(γ,-y,)2 = DhNl ,^(X1-X2)2+(y,-y2)2 = Dim 以及λ](χ,-χ3)2 +(y,-y3 f = Dhm， 計(jì)算得到該待定位結(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)U” Yi)，完成無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙速率的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位方法，技術(shù)特征在于利用低速率傳輸LM實(shí)現(xiàn)無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的精確測(cè)距，利用高速率傳輸HM實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的其他信息傳輸；其具有以下優(yōu)點(diǎn)1.適用于錨節(jié)點(diǎn)稀疏的水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位，大大提高了水下無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)定位精度。本發(fā)明采用低速率模式完成測(cè)距，可以大大提高單跳覆蓋范圍，避免現(xiàn)有單速率無線多跳網(wǎng)絡(luò)中存在多跳測(cè)距帶來的累積測(cè)距誤差與大的開銷，獲得高的無線多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)自定位精度。2.有效降低結(jié)點(diǎn)定位帶來的能耗與開銷?；陔p速率的傳輸模式保證無線多跳網(wǎng)絡(luò)的低能耗，算法簡(jiǎn)單有效，大大降低定位過程中產(chǎn)生的控制分組的信息量。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102547981SQ20121003691
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月18日
發(fā)明者李保軍, 李雪, 王海燕, 申曉紅, 白衛(wèi)崗, 趙瑞琴, 高婧潔 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)