水聲3d傳感器網絡中一種提高定位覆蓋范圍的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于水聲傳感器網絡通信【技術領域】，涉及一種水聲3D傳感器網絡中一種提高定位覆蓋范圍的方法，步驟如下：選擇4個錨節(jié)點，由每個錨節(jié)點同時向自己的協作點和未知節(jié)點發(fā)送信號；當協作點接收到來自錨節(jié)點的信號后，解碼然后重新編碼，并將信號發(fā)送給未知節(jié)點；未知節(jié)點收到來自錨節(jié)點的信號時，記錄下信號到達的時間；將來自錨節(jié)點和其對應協作點的信號進行合并，得到錨節(jié)點發(fā)來的信息：錨節(jié)點的ID號，信號發(fā)送的時間和錨節(jié)點的位置；得到錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離；得到四個錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離及對應錨節(jié)點的坐標，進而進行定位。本發(fā)明充分考慮了多徑衰落的水聲信道特點以及節(jié)點功率受限的問題，可以提高節(jié)點定位覆蓋范圍。
【專利說明】水聲3D傳感器網絡中一種提高定位覆蓋范圍的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲傳感器網絡通信【技術領域】，具體的講是一種在3D結構模式下可以提高定位覆蓋范圍的方法。
【背景技術】
[0002]水聲傳感器網絡(UASNs,UnderwaterAcoustic Sensor Networks)是以水聲為通信介質，以海洋監(jiān)測為目的，由各種水下傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網絡，是海洋監(jiān)測的一種必要手段。網絡中的節(jié)點利用傳感器實時監(jiān)測、采集網絡分布區(qū)域內的各種監(jiān)測信息，經數據融合等信息處理后，通過具有遠距離傳輸能力的水下節(jié)點將實時監(jiān)測信息送到水面基站，然后通過近岸基站或衛(wèi)星將實時信息傳遞給用戶。但是，在水聲傳感器網絡的絕大多數應用中，只有當傳感器節(jié)點位置已知，獲得的信息才具有意義。因此，水聲傳感器網絡節(jié)點定位技術的研究是水聲傳感器網絡技術研究的一個重點和熱點。
[0003]與大氣環(huán)境不同，水下環(huán)境極其復雜多變，給水聲傳感器網絡的發(fā)展帶來了很大的挑戰(zhàn)。水聲信道傳播延時長；帶寬受限；具有多徑衰落、運動多普勒漂移以及相位和幅度的震蕩等信道特征。
[0004]無線信道的衰落特性是阻礙信道容量增加和服務質量改善的主要原因之一。分集技術就是為了對抗衰落，提高傳輸性能而發(fā)展起來的一項重要技術。它的基本思路是:如果一條無線傳播路徑中的信號經歷了深度衰落，那么另一條相對獨立的路徑中可能包含著較強的信號。如果在多徑信號中選擇兩個或兩個以上的信號，則可望保證至少有一個強度足夠大的信號副本可以提供給接收機。如果將他們按一定規(guī)則合并起來的話，可以得到分集增益。MIMO (multiple-1nput multiple-output)技術是空間分集技術的一種。它通過在接收端和發(fā)射端同時安置多個天線，形成MIMO信道結構，從而充分利用了空域資源，大幅度提高了信道容量。但是MMO技術的應用受到了阻礙。
[0005]水聲傳感器網絡中節(jié)點各部分集成度很高，體積相對較小，限制了電池的容量，而復雜多變的水下環(huán)境又使得無法為其頻繁地更換電源。然而MIMO技術需要在發(fā)射端及接收端裝有多個天線，這對體積小、能量受限的水聲傳感器網絡節(jié)點而言是不實際的。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是，克服現有技術的上述不足，從水聲傳感器網絡中傳感器節(jié)點功率受限的考慮，提出一種能夠提高定位覆蓋范圍的方法。本發(fā)明的技術方案如下:
[0007]水聲3D傳感器網絡中一種提高定位覆蓋范圍的方法，采用4個坐標已知的錨節(jié)點對一個坐標未知的節(jié)點，即未知節(jié)點進行定位，步驟如下:
[0008]I) 4個錨節(jié)點選取各自的鄰節(jié)點作為各自的中繼節(jié)點，即協作點；
[0009]2)每個錨節(jié)點同時向自己的協作點和未知節(jié)點發(fā)送信號，信號包含錨節(jié)點自身的ID號、位置信息和發(fā)送的時間，將此信號的前兩位標記成00 ；
[0010]3)當協作點接收到來自錨節(jié)點的信號后，將信號進行解碼，然后將標記00改為11，其它內容不變，重新編碼后，協作點將信號發(fā)送給未知節(jié)點；
[0011]4)未知節(jié)點收到有00標記的信號時，立即記錄下信號到達的時間；
[0012]5)未知節(jié)點將來自錨節(jié)點和其對應協作點的信號進行合并，合并前去除00或11的標記；合并時將兩信號進行簡單的疊加，對合并的信號進行解碼，得到錨節(jié)點發(fā)來的信息:錨節(jié)點的ID號，信號發(fā)送的時間和錨節(jié)點的位置；
[0013]6)用4)中得到的信號到達的時間減去5)中得到的信號發(fā)送的時間，得到信號從錨節(jié)點到未知節(jié)點所用的時間，用該時間乘以聲速，就可得到錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離；
[0014]7)由上面的過程，可以得到四個錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離及對應錨節(jié)點的坐標，進而進行定位。
[0015]本發(fā)明提出的方法，充分考慮了多徑衰落的水聲信道特點以及節(jié)點功率受限的問題，在定位測距時，利用虛擬MIMO的思想，加入協作點，形成中繼信道傳送定位信息。在水聲傳感器網絡中，該方法可以提高節(jié)點定位覆蓋范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明水聲傳感器網絡示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明網絡模型。
[0018]圖3是本發(fā)明中繼信道傳輸模型。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明通過在定位中加入協作點，形成虛擬ΜΜ0，以提高定位覆蓋范圍的定位方法。該方法中，假設節(jié)點均是靜止的，不隨時間變化，聲速不隨深度，海水溫度、鹽度等變化，不考慮時間同步問題。至少存在四個錨節(jié)點位置已知，且每三個錨節(jié)點不在同一條直線上，每四個錨節(jié)點不在同一平面上。設其中四個位置已知的錨節(jié)點為A，B, C，D，另外一個坐標未知的節(jié)點為S。分別選取錨節(jié)點A，B，C，D的鄰節(jié)點作為各自的協作點，為了敘述方便，這里以A為例，選取一個協作點Ra。此協作點與A構成兩個發(fā)送端口，與接收端口 S —起組成了虛擬MIMO陣列，形成中繼信道模型。A向RA、S發(fā)送包含自身ID，發(fā)送時間和位置信息的信號。A向Ra、S發(fā)送信號。Ra對來自A的信號進行解碼，重新編碼，改標記為協作點標記，然后發(fā)送給未知節(jié)點S。S接收到A的信號時記錄下接收時間，然后將接收到的分別來自A和RA的信號進行合并，提取其中信息。用這些信息和距離相關的定位算法進行定位。本發(fā)明具體的實現步驟是:
[0020]步驟一:錨節(jié)點A，B, C，D分別選取各自的鄰節(jié)點Ra，Rb, Rc, Rd作為各自的中繼節(jié)點，即協作點。A向Ra和S發(fā)送包含自身ID、位置信息和發(fā)送時間的信號tat，信號前兩位標記為00，表示此信號是由參與定位的位置已知的錨節(jié)點發(fā)出。
[0021]步驟二:當Ra接收到來自A的信號后，對信號進行解碼，將標記信號改為11，作為協作點標記，表明此報文為協作節(jié)點發(fā)送。然后將信號發(fā)送給未知節(jié)點S。此時采用的解碼和重編碼處理往往是接收信號的非線性變換。
[0022]步驟三:未知節(jié)點S接收到A和協作點Ra發(fā)來的信號。未知節(jié)點S記錄下標記00的信號到達時間tm。將接收到的來自A和Ra的信號進行合并，提取其中信息，即A的ID號、位置信息和tat。合并前去除標記信號，由于單個節(jié)點的處理能力有限，合并采用等增益合并。等增益合并非常簡單，它將各個分散信號以相同的支路增益進行直接相加，無須對信號分別加權，相加后的信號作為接收信號。由此可以得到時間差Ata=tm_tat。
[0023]步驟四:B，C，D重復步驟一至步驟三的步驟。未知節(jié)點得到B，C，D的ID號、位置信息及時間差Atb, At。，Atdo根據r=vXt，用時間差分別乘以聲速1500m/s，得到各錨節(jié)點到S的距離。
[0024]步驟五:用極大似然估計法、四邊測量法等距離相關的定位算法處理得到的數據，包括錨節(jié)點到S的距離，各錨節(jié)點的坐標位置，進行定位。定位估計后再進行定位校正。
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行說明。
[0026]圖1中，展示了一個由基于艦船的移動錨節(jié)點、水面浮標錨節(jié)點(Buoy)、自沉降浮標(DNR,Dive，N’ Rise)、槽節(jié)點、智能水下機器人(AUV, Autonomous Underwater Vehicle)、漂浮傳感器節(jié)點和水下固定傳感器節(jié)點組成的水聲傳感器網絡。水聲傳感器網絡中的定位技術就是利用位置已知的錨節(jié)點對未知節(jié)點的位置進行定位。
[0027]圖2中，給出了本發(fā)明中采用的網絡模型。假設節(jié)點均是靜止的，不隨時間變化，聲速不隨深度，海水溫度、鹽度等變化，不考慮時間同步問題。至少存在四個錨節(jié)點位置已知，且每三個錨節(jié)點不在同一條直線上，每四個錨節(jié)點不在同一平面上。設其中四個位置已知的錨節(jié)點為A，B, C，D，另外一個坐標未知的節(jié)點為S。
[0028]圖3中，A是位置已知的錨節(jié)點，Ra是A的鄰節(jié)點，被選作為A的協作節(jié)點，S是未知節(jié)點。源節(jié)點A，中繼節(jié)點Ra和目的節(jié)點S構成的網絡形成了中繼傳輸信道。所有節(jié)點都工作在同一頻，從源節(jié)點的角度看，系統相當于一個廣播信道；從目的節(jié)點的角度看，系統相當于一個多址接入信道。源節(jié)點到目的節(jié)點的信息傳輸分兩步。首先，源節(jié)點A將信息傳輸到目的節(jié)點S和中繼節(jié)點Ra;第二步，中繼節(jié)點Ra將從A接收到的信息傳送到目的節(jié)點S，最后在節(jié)點S對信號進行合并處理。利用這種協作模式，可以有效獲取分集增益，從而改善源節(jié)點和目的節(jié)點之間的通信性能，用于定位中可擴大定位范圍。
【權利要求】
1.水聲3D傳感器網絡中一種提高定位覆蓋范圍的方法，采用4個坐標已知的錨節(jié)點對一個坐標未知的節(jié)點，即未知節(jié)點進行定位，步驟如下: 1)4個錨節(jié)點選取各自的鄰節(jié)點作為各自的中繼節(jié)點，即協作點； 2)每個錨節(jié)點同時向自己的協作點和未知節(jié)點發(fā)送信號，信號包含錨節(jié)點自身的ID號、位置信息和發(fā)送的時間，將此信號的前兩位標記成OO ； 3)當協作點接收到來自錨節(jié)點的信號后，將信號進行解碼，然后將標記00改為11，其它內容不變，重新編碼后，協作點將信號發(fā)送給未知節(jié)點； 4)未知節(jié)點收到有00標記的信號時，立即記錄下信號到達的時間； 5)未知節(jié)點將來自錨節(jié)點和其對應協作點的信號進行合并，合并前去除00或11的標記；合并時將兩信號進行簡單的疊加，對合并的信號進行解碼，得到錨節(jié)點發(fā)來的信息:錨節(jié)點的ID號，信號發(fā)送的時間和錨節(jié)點的位置； 6)用4)中得到的信號到達的時間減去5)中得到的信號發(fā)送的時間，得到信號從錨節(jié)點到未知節(jié)點所用的時間，用該時間乘以聲速，就可得到錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離； 7)由上面的過程，可以得到四個錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離及對應錨節(jié)點的坐標，進而進行定位。
【文檔編號】H04W84/18GK103442435SQ201310368451
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權日:2013年8月21日
【發(fā)明者】金志剛, 姚貴丹, 張俊亮 申請人:天津大學