一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)landmrac定位算法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)LANDMRAC定位算法，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位，屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)以較低的功耗和成本實現(xiàn)節(jié)點的精確定位，本發(fā)明提出了一種基于節(jié)點信號強度的改進(jìn)LANDMRAC定位算法。采用此方法可以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點精確定位和較低部署和運行成本之間取得平衡。該算法步驟為部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、錨節(jié)點廣播、節(jié)點接收并記錄信號強度、節(jié)點選擇最近鄰節(jié)點和根據(jù)質(zhì)心算法計算節(jié)點位置。該算法計算簡單、定位精度高，無需額外設(shè)備，因此適用于低成本、資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】
-種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)LANDMRAC定位算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信的技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于節(jié)點信號強度的改進(jìn)LANDMRAC 定位算法，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位是設(shè)及計算和科學(xué)諸多領(lǐng)域相互依賴的問題，同時也是 與多種工程系統(tǒng)息息相關(guān)的。對于大多數(shù)應(yīng)用，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意 義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細(xì)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(biāo)的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節(jié)點位置信息還可W提高路由效率， 為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，向布署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡W及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?的自配置。
[0003] 對于節(jié)點的位置，可W通過人工布署后，記錄詳細(xì)的地理坐標(biāo)來標(biāo)記傳感器節(jié)點 的位置。但是記錄會耗費大量的人力物力，且實際布署的環(huán)境可能不適于人們進(jìn)入，因此， 運種記錄節(jié)點位置的方式不適用于該系統(tǒng)。為傳感器節(jié)點安裝GPS定位模塊也可W獲得節(jié) 點的位置。但是由于成本、節(jié)點功耗的限制，不可能將每個節(jié)點都配備GPS模塊?？蒞將一部 分節(jié)點配備GPS模塊，運些節(jié)點即成為錯節(jié)點，又叫信標(biāo)節(jié)點。其他節(jié)點通過與錯節(jié)點之間 的數(shù)據(jù)交互，利用特定的算法，實現(xiàn)自身的定位。
[0004] 定位測量技術(shù)包括:無線時間差分技術(shù)，無線和聲信號測量技術(shù)，信號強度測量技 術(shù)，無線連通技術(shù)等。
[0005] 基于測量的定位系統(tǒng)主要包括基于RSSI的定位，基于TD0A的定位，T0A的定位、基 于TD0A的定位、基于A0A的定位。
[0006] 基于RSSKRECEIVED SIGNAL STRENGTH INDICATOR)的測量技術(shù)：即已知節(jié)點的發(fā) 射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播 損耗轉(zhuǎn)化為距離。該技術(shù)主要使用RF信號.因傳感器節(jié)點本身具有無線通信能力，因此是一 種低功耗、低成本的測距技術(shù)，RADAR、SP0T0N等許多項目中使用了該技術(shù)。它的主要誤差來 源是環(huán)境影響所造成的信號傳播模型的建模復(fù)雜性，反射、多徑傳播、非視距(NON-LIW- 0F-SIGHT，NL0S)、天線增益等問題都會在距離相同情況下產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。
[0007] 基于TD0A(TIME DIF陽RENCE ON ARRIVAL)的測量技術(shù)。TD0A測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用 在WSN定位方案中。一般是在節(jié)點上安裝超聲波收發(fā)器和射頻收發(fā)器。測距時，在發(fā)射端，兩 種收發(fā)器同時發(fā)射信號，利用聲波與電磁波在空氣中傳播速度的巨大差異在接收端通過記 錄兩種不同信號到達(dá)時間的差異，基于已知信號傳播速度，直接把時間轉(zhuǎn)化為距離。該技術(shù) 的測距精度較RSSI高，可達(dá)到厘米級，但受限于超聲波傳播距離有限和化0S問題對超聲波 信號的傳播影響。
[000引基于A0A(ANGLE OF ARRIVAL)的測距技術(shù)。運是一種估算鄰居節(jié)點發(fā)送信號方向 的技術(shù)，可通過天線陣列或多個接收器結(jié)合來實現(xiàn)，除定位外，還能提供方向信息，如MIT的 T肥CRICKET COMPASS等項目中就提出了基于A0A的定位算法。A0A技術(shù)也受外界環(huán)境影響， 如噪聲、化OS問題等都會對測量結(jié)果產(chǎn)生不同影響。同時，AOA需要額外硬件，可能無法滿足 傳感器節(jié)點對硬件尺寸和功耗的要求。
[0009] 基于T0A(TIME OF ARRIVAL)的測距技術(shù)。該技術(shù)通過測量信號傳播時間來測量距 離，因此需要節(jié)點間精確的時間同步。使用T0A技術(shù)最基本的定位系統(tǒng)是GPS。GPS系統(tǒng)需要 昂貴、高能耗的電子設(shè)備來精確同步衛(wèi)星時鐘。由于WSN節(jié)點的硬件尺寸、價格和功耗限制， 實際應(yīng)用T0A技術(shù)的定位方案較少，但近期超寬帶化LTRA-WIDEBAND，UWB)通信技術(shù)的發(fā)展 W及在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，使得利用T0A定位具有了廣闊的前景。
[0010] 針對W上背景信息，研究一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位算法具有重要意 義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 由于RFID系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常相似，受到LANDMARC算法的啟發(fā)，提出了一 種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的改進(jìn)的LANDMARC算法。和RFID定位系統(tǒng)相比，無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中的錯節(jié)點相當(dāng)于RFID系統(tǒng)中的參考標(biāo)簽;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的待定位 節(jié)點相當(dāng)于RFID系統(tǒng)中的帶定位標(biāo)簽。兩者最大的區(qū)別在于，RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽的數(shù)據(jù)需要 讀寫器讀取，標(biāo)簽之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。而傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點之間可W直接進(jìn)行數(shù)據(jù) 交互，而不需要一個?？诘淖x寫設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。
[0012] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題:針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)W較低的功耗和成本實現(xiàn) 節(jié)點的精確定位，本發(fā)明提出了一種基于節(jié)點信號強度的改進(jìn)LANDMRAC定位算法。采用此 方法可W在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點精確定位和較低部署和運行成本之間取得平衡。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案:具有節(jié)點定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點區(qū)分為錯節(jié)點和非 錯節(jié)點；W錯節(jié)點的信號強弱為基礎(chǔ)，依據(jù)待定位節(jié)點最近鄰錯節(jié)點的精確位置信息計算 出待定位節(jié)點的位置;步驟如下：
[0014] (1)部署由若干錯節(jié)點和普通節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0015] (2)錯節(jié)點定位并做全網(wǎng)節(jié)點廣播，非錯節(jié)點接收和記錄錯節(jié)點的發(fā)射功率。
[0016] (3)待定位節(jié)點依據(jù)信號強弱選出若干最近鄰錯節(jié)點。
[0017] (4)待定位節(jié)點根據(jù)質(zhì)屯、算法和最近鄰錯節(jié)點坐標(biāo)計算自身坐標(biāo)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果:該算法計算簡單、定位精度高，無需額外設(shè)備，因此適用于低 成本、資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
【具體實施方式】
[0019] W下結(jié)合技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0020] -種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)LANDMRAC定位算法，W錯節(jié)點的信號強弱為基 礎(chǔ)，依據(jù)待定位節(jié)點最近鄰錯節(jié)點的精確位置信息計算出節(jié)點的位置。本發(fā)明提出的具有 節(jié)點定位功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點區(qū)分為錯節(jié)點和非錯節(jié)點。其中，錯節(jié)點具有感知、無 線通信和精確定位功能，可直接獲得節(jié)點自身的位置信息;但與非錯節(jié)點相比，該類節(jié)點成 本較高、能耗較大。非錯節(jié)點僅具有常規(guī)節(jié)點的感知功能與基本短距無線通信能力。
[0021] 設(shè)系統(tǒng)中有m個已知位置的錯節(jié)點，η個待定位的傳感器節(jié)點;步驟如下：
[0022] (1)將m個已知位置的錯節(jié)點和η個待定位的傳感器節(jié)點布署到監(jiān)控區(qū)域，通過 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組織成無線網(wǎng)絡(luò)。
[0023] (2)m個錯節(jié)點向全網(wǎng)節(jié)點廣播一組信號，并記錄其廣播信號的發(fā)射功率為： 聲=(巧，巧，巧，......。
[0024] (3)n個待定位節(jié)點接收來自錯節(jié)點的信號，并記錄接收信號強度為：
[0025]
[0026] 其中，Si康示節(jié)點j接收到的錯節(jié)點i的信號強度，則節(jié)點j與錯節(jié)點i之間的歐式 距離為：
[0027] (4)對于每個待定節(jié)點，依據(jù)接收到的信號強弱選出與其距離最近(歐式距離最 小）的K個錯節(jié)點(最近鄰錯節(jié)點）。
[0028] (5)根據(jù)質(zhì)屯、算法和最近鄰錯節(jié)點坐標(biāo)求出待定位節(jié)點的坐標(biāo)為：
[0029]
[0030] 其中，wij表示第i個錯節(jié)點對第j個待定位節(jié)點的權(quán)重（i = 1，2，3......，K<m; j = 1， 2,3……，n)?？捎山?jīng)驗公式獲得：
[0031]
[0032] 通過待定位節(jié)點的實際坐標(biāo)和用W上方法得到的待定位節(jié)點的坐標(biāo)的比較，可W 算出它們之間的誤差值
其中（XD，y。)表示的是待定位節(jié)點的實際 坐標(biāo)位置；（x，y)是通過W上算法計算得到的待定位節(jié)點坐標(biāo)。該誤差值的大小也是衡量定 位算法是否準(zhǔn)備的最重要指標(biāo)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)LANDMRAC定位算法，其特征在于，設(shè)系統(tǒng)中有m個已 知位置的錨節(jié)點，η個待定位的傳感器節(jié)點； 步驟如下： (1)將m個已知位置的錨節(jié)點和η個待定位的傳感器節(jié)點布署到監(jiān)控區(qū)域，通過Z i gbe e 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組織成無線網(wǎng)絡(luò)； (2 )m個錨節(jié)點向全網(wǎng)節(jié)點廣播一組信號，并記錄其廣播信號的發(fā)射功率為： ……,piu), (3) n個待定位節(jié)點接收來自錨節(jié)點的信號，并記錄接收信號強度為： \_^n j ^ …**** - 其中，心表示節(jié)點j接收到的錨節(jié)點i的信號強度，則節(jié)點j與錨節(jié)點i之間的歐式距離 為 1(4) 對于每個待定位的傳感器節(jié)點，依據(jù)接收到的信號強弱選出與其距離最近，即歐式 距離最小的K個錨節(jié)點，K個錨節(jié)點即為最近鄰錨節(jié)點； (5) 根據(jù)質(zhì)心算法和最近鄰錨節(jié)點坐標(biāo)求出待定位節(jié)點的坐標(biāo)為：/ = ! 其中，wij表示第i個錨節(jié)點對第j個待定位節(jié)點的權(quán)重（i = 1，2,3......，K〈m; j = l，2， 3……，n);由下述公式獲得：通過待定位節(jié)點的實際坐標(biāo)和計算得到的待定位節(jié)點的坐標(biāo)比較，得出二者的誤差值其中（Xci，y。)表示的是待定位節(jié)點的實際坐標(biāo)位置；（x，y)是通過 以上算法計算得到的待定位節(jié)點坐標(biāo)。
【文檔編號】H04W64/00GK105872977SQ201610333795
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】竇濤
【申請人】大連理工大學(xué)