一種wsn中基于閾值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)心定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種WSN中基于闊值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)屯、定位方法，屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有感知能力、計(jì)算能力、無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成， 廣泛應(yīng)用于軍事偵察、生產(chǎn)過程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自身定位是傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用的基礎(chǔ)和重要支撐，在基于位置信息的路由、目標(biāo)監(jiān)測(cè)與跟蹤等許多應(yīng)用領(lǐng)域都需要 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的具體位置信息，W便在網(wǎng)絡(luò)通信和節(jié)點(diǎn)協(xié)作方面利用位置信息完成具體要求。
[0003] 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法跟據(jù)對(duì)節(jié)點(diǎn)位置的估測(cè)機(jī)制，可將其分為基于測(cè)距的定 位算法和無需測(cè)距的定位算法?；跍y(cè)距的定位算法是通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或特定角度 信息，使用=邊測(cè)量法、=角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法來估算節(jié)點(diǎn)近似位置；而無需測(cè)距的 定位算法僅依靠網(wǎng)絡(luò)的連通性估算未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，其功耗比較小，但估算出的節(jié)點(diǎn) 坐標(biāo)的準(zhǔn)確度比較低。基于測(cè)距的定位算法與無需測(cè)距的定位算法相比，雖然前者的硬件 成本有所增加，但是其定位精度有著明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著對(duì)定位精度要求的提高，基于測(cè)距的 定位算法在節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中將會(huì)有更好的發(fā)展。
[0004] 目前使用的測(cè)距技術(shù)有TOA，TDOA和RSSI等。TOA是利用到達(dá)時(shí)間的測(cè)距機(jī)制， 即利用信號(hào)的傳輸時(shí)間來測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間距離，該種方法要求精確的時(shí)鐘同步，所W對(duì)硬件 要求較高。TDOA的測(cè)距原理是利用無線信號(hào)和超聲波信號(hào)在同一介質(zhì)中的傳輸速度的差異 來測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間距離，其測(cè)距精度較高，但需要為節(jié)點(diǎn)配備超聲波發(fā)射裝置，增加節(jié)點(diǎn)的硬 件成本。
[0005] 基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示巧SSI)的測(cè)距機(jī)制，它是一種根據(jù)無線信號(hào)在傳輸過程 中的功率損耗來測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間距離的技術(shù)，不需要額外的硬件支持，但實(shí)際應(yīng)用中易受環(huán) 境等因素的影響，從而導(dǎo)致算法的定位精度降低。質(zhì)屯、算法是將未知節(jié)點(diǎn)周圍的信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 形成的多邊形的質(zhì)屯、作為未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，該算法容易實(shí)現(xiàn)，其通信開銷W及計(jì)算量 都比較小，但要求網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均勻分布且其分布密度比較高。
[0006] 在基于測(cè)距的定位算法中，基于接受信號(hào)強(qiáng)度指示化SSI，received signal strength indicator)測(cè)距技術(shù)是一種低功率、廉價(jià)的測(cè)距技術(shù)。因節(jié)點(diǎn)本身的無線通信巧 片就具有計(jì)算收發(fā)信號(hào)強(qiáng)度的能力，因此基于RSSI的測(cè)距技術(shù)不需要附加額外的硬件，不 會(huì)帶來硬件成本的增加，其定位精度較無需測(cè)距方法又有著明顯的優(yōu)勢(shì)，所W基于RSSI的 測(cè)距是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位比較常用的方法。
[0007] 質(zhì)屯、定位算法使用包含位置信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)屯、作為未知節(jié)點(diǎn)的位置，完 全基于網(wǎng)絡(luò)連通性，因此比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但此算法的精確度與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度W及分 布有很大關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引發(fā)明目的；針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，為了進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)定位的精度，本發(fā)明 提供一種WSN中基于闊值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)屯、定位方法（TSWC,T虹eshold based Selection and Wei曲ted Centroid localization algorithm)。首先利用信號(hào)傳輸模型估測(cè)未知節(jié) 點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置優(yōu)選信標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合，根據(jù)設(shè)定的闊值和信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，選擇較優(yōu)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合。然后W組合中的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為圓屯、， 與未知節(jié)點(diǎn)的距離值為半徑作圓，形成的交疊區(qū)域，并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行劃分，計(jì)算每個(gè)區(qū)域的 質(zhì)屯、，并利用各區(qū)域面積占總面積的比例作為權(quán)值，來進(jìn)行定位計(jì)算。仿真結(jié)果表明，本發(fā) 明的優(yōu)化算法降低了定位誤差，提高了節(jié)點(diǎn)定位精度。
[0009] 技術(shù)方案；一種WSN中基于闊值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)屯、定位方法，包括如下步驟：
[0010] 1)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播自身信息；節(jié)點(diǎn)ID、自身位置信息。未知節(jié)點(diǎn)在收到信息后，記錄 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并對(duì)同一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)RSSI值取平均，將信息存入自身維持的集合M中。
[0011] 2)未知節(jié)點(diǎn)將集合M的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)RSSI值轉(zhuǎn)化為距離值，并根據(jù)其與自身距離值從 小到大排序。選取前5個(gè)距離最小的值，建立信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息集合S，包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID信息和 距離信息。
[0012] 3)在集合S任取S個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為一組合巧，判斷S個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離是否大于0， 然后判斷U是否在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的區(qū)域內(nèi)，選出參與定位的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合集T。
[0013] 4)對(duì)合集T中的每信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合利用本發(fā)明改進(jìn)算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的定位計(jì)算。
[0014] 5)最后利用每組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)求平均值，得到待測(cè)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位值。
【附圖說明】
[0015] 圖1為S角形質(zhì)屯、定位算法原理圖；
[0016] 圖2為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成區(qū)域示意圖；
[0017] 圖3為不滿足條件的情況的示意圖；
[001引圖4為加權(quán)質(zhì)屯、定位4個(gè)區(qū)域放大圖；
[0019] 圖5為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)選擇流程圖；
[0020] 圖6為本發(fā)明方法流程圖；
[0021] 圖7為節(jié)點(diǎn)分布圖；
[0022] 圖8為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)定位誤差的影響比較圖；
[0023] 圖9為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信半徑對(duì)定位誤差的影響比較圖；
[0024] 圖10為容忍系數(shù)對(duì)定位誤差的影響比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解該些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià) 形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0026] 首先介紹基于信號(hào)強(qiáng)度指示的測(cè)距模型，它是一種將節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化 為距離的理論模型。然后給出質(zhì)屯、定位算法，即利用幾何圖形的質(zhì)屯、作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。
[0027] RSSI測(cè)距模型
[002引無線信號(hào)傳播模型典型的有自由空間模型、對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型及對(duì)數(shù)-常態(tài) 分布模型。在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，由于信號(hào)受到多徑、繞射、障礙物等因素的影響，無線電信 號(hào)傳播路徑損耗與理論值相比有所差異。因而在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生下述對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型， 式（1)可用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)信息時(shí)的路徑損耗值
[0029]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種WSN中基于閾值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)心定位方法，其特征在于，可分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合 的優(yōu)選和加權(quán)質(zhì)心定位計(jì)算兩部分；未知節(jié)點(diǎn)選取與自身距離最近的η個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每三 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)組合，判斷組合是否滿足條件，滿足條件的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用于加權(quán)質(zhì)心計(jì) 算；將交疊區(qū)域分為4個(gè)部分，每部分面積與總面積的比值作為權(quán)值，將每部分的質(zhì)心進(jìn)行 加權(quán)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
2. 如權(quán)利要求1所述的WSN中基于閾值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)心定位方法，其特征在于，信標(biāo)節(jié) 點(diǎn)組合的優(yōu)選中： 首先判斷信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合中每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離是否大于距離閾值，設(shè)閾值為σ ;設(shè)定〇 的大小與節(jié)點(diǎn)的通信半徑Rtl成正比，在此定義容忍系數(shù)Ρ，〇 =PXR〇,設(shè)定P的取值在〇~ 〇. 2之間；如果每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離都大于閾值〇，就進(jìn)入下一步篩選； 其次，判斷未知節(jié)點(diǎn)是否在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的特定區(qū)域內(nèi)，如果未知節(jié)點(diǎn)在上述區(qū)域內(nèi) 就將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合用于后續(xù)定位計(jì)算；設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成三角形邊長的均值為Lavg，分別以信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)為圓心，以L avg為半徑作圓，三個(gè)圓構(gòu)成交疊區(qū)域；若未知節(jié)點(diǎn)在此交疊區(qū)域內(nèi)，則 認(rèn)為此信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合滿足定位條件； 設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A，B，C，組成的三角形Λ ABC邊長分別為Lab, LA。，Lb。，計(jì)算Λ ABC三邊長的 均值Lavg，即
然后分別以A，B，C為圓心以Lavg為半徑作圓，得到交疊區(qū)域，若未知節(jié)點(diǎn)U處于該交疊 區(qū)域就認(rèn)為是符合條件，此時(shí)節(jié)點(diǎn)U與AABC各頂點(diǎn)的距離均小于Lavg; 如果不滿足條件，則丟棄此信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合；比如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離小于σ，或未知節(jié) 點(diǎn)U不在三個(gè)圓重疊的部分。
3. 如權(quán)利要求1所述的WSN中基于閾值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)心定位方法，其特征在于，對(duì)每個(gè) 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合，采用加權(quán)質(zhì)心定位算法，主要分為三個(gè)部分：計(jì)算ADEF(區(qū)域1)和三個(gè)拱 形（拱形DGF、拱形DHE和拱形EIF)的質(zhì)心；計(jì)算各區(qū)域的權(quán)值；對(duì)各區(qū)域質(zhì)心加權(quán)； 各區(qū)域質(zhì)心計(jì)算 拱形區(qū)域的質(zhì)心計(jì)算，以拱形DGF為例，以ADGF的質(zhì)心來代替；先求得三角形各頂點(diǎn) 坐標(biāo)，然后分別計(jì)算質(zhì)心； 設(shè)點(diǎn)G的坐標(biāo)為（? ye)，由于點(diǎn)G在以B為圓心，以dis，為半徑的圓上；并且點(diǎn)G在 DF連線的垂直平分線上，即G與D的距離等于D與F的距離；G又在以A為圓心，以dis/ 為半徑的圓內(nèi)部，由此可得到（6)式，即可求得G點(diǎn)的坐標(biāo)（Xpy e);
冋埋，口」豕侍? H利?丄的坐稱73 Uh，yH) W Ul，yi); 有了三角形各點(diǎn)坐標(biāo)即可求得其質(zhì)心，設(shè)Δ DEF、拱形DGF、拱形DHE、拱形EIF的質(zhì)心分 別表示為（Xi, y)，（i = 1，2…4)，（Xij, yj，（i = 1，2…4, j = 1，2, 3)分別為各區(qū)域中三個(gè) 頂點(diǎn)坐標(biāo)，由質(zhì)心的計(jì)算方法可得：
各區(qū)域權(quán)值計(jì)算 各區(qū)域的權(quán)值為該區(qū)域面積占整個(gè)交疊區(qū)域面積的比例；ADEF的面積S1可以利用海 倫公式求得：
以拱形DGF為例，設(shè)拱形DGF的面積為S2，可以利用扇形BDGF的面積減去ABDF的面 積求得，
同理可求得拱形DHE的面積S3和拱形EIF的面積S 4。 各區(qū)域加權(quán)系數(shù)為：
加權(quán)求坐標(biāo) 利用各區(qū)域加權(quán)值，可得到本組合對(duì)未知節(jié)點(diǎn)U的估測(cè)坐標(biāo)Posu, Posu = (x,y) = (Zi=iKixi >Σ?=ικ?ν? (11)。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種WSN中基于閾值優(yōu)選的加權(quán)質(zhì)心定位方法，其特征在于，可分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合的優(yōu)選和加權(quán)質(zhì)心定位計(jì)算兩部分；未知節(jié)點(diǎn)選取與自身距離最近的n個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)組合，判斷組合是否滿足條件，滿足條件的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用于加權(quán)質(zhì)心計(jì)算；將交疊區(qū)域分為4個(gè)部分，每部分面積與總面積的比值作為權(quán)值，將每部分的質(zhì)心進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。本發(fā)明的優(yōu)化算法降低了定位誤差，提高了節(jié)點(diǎn)定位精度。
【IPC分類】H04W64-00, H04W84-18
【公開號(hào)】CN104661304
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410767697
【發(fā)明人】顧燕, 郭潔, 李旭杰, 靜大海, 王嫻玨
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日