一种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种未知节点定位方法，特别是一种利用多跳未知节点邻居来提高定 位精度的定位方法，属于无线传感器网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 根据定位过程中是否需要测距，目前常用的定位算法可以分为基于测距的定位算 法和非测距的定位算法。由于非测距的定位算法不需要传感器节点配置额外的硬件，同时 能量消耗低、便于部署、实现简单，因此能满足大多数传感器网络的需求。
[0003] 目前研究主要就集中在非测距的定位算法方面，国内外的研究者也提出了许多非 测距的无线传感器网络节点定位算法，下面例举几个算法并分别简要分析它们的优劣之 处。
[0004] Nicolescu D 提出的 DV-Ηορ 算法（Dragos Nioulescu and Badri Nath, "DV based positioning in ad hoc networks，'，in Journal Telecommunication Systems，PP. 267-280, 2003.)是最早的非测距定位算法。该算法使用节点之间的跳数来衡 量节点之间的距离，在网络分布均匀的情况下能够达到较好的效果。但是当网络中节点分 布不均匀时，平均每跳距离的计算将会出现比较大的偏差，定位精度也会受到较大的影响。
[0005] 在 DV-Ηορ 算法的基础上，Agpal R N 提出了 Amorphous 算法（Nagpal R, Shrobe H and Bachrach J,''Organizaing a global coordirate systerm from local information on an AD Hoc sensor network[C]. in Proc. Int. Workshop on infremation Processing in Sensor Networks, 2003, LNCS2634, PP. 333-348. 2003.)。该算法使用节点的通信半径作 为平均每跳距离，虽然网络通信开销降低并且计算简单，但是定位误差较大。
[0006] Simics N在同一时期提出了 BoundingBox算法（Slobodan N Simic and Shankar Sastry, "Distributed localization in wireless ad hoc networks，'，in Technical Import，PP. 1-13, 2001.)。该算法将信标节点的通信区域设定为一个正方形，未知节点把其 所有直接信标节点邻居的正方形通信区域的交集作为自己的可能位置区域，并取其中心作 为自己的定位位置，该算法实现简单、计算简便。但是该算法假设网络中的各节点具有同样 大小的正方形通信范围，同时对网络中信标节点的密度要求相对较高，所以在应用中不是 特别广泛。
[0007] He T等人将三角形内点测试定理引入到无线传感器网络定位领域，提出了 APIT 算法(T. He, C. Huang, B. M. Blum, J. A. S tankovic, and T. Abdelzaher, "Range-free Localization Schemes in Large Scale Sensor Networks"，in Proceedings of the9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking(MbiCom2003) ，PP. 81-95, 2003)。该算法采用近似三角形内点测试法来判断未知节点是否位于以任意三个 信标节点为顶点所组成的三角形内，然后求出未知节点在其内的所有三角形的重叠区域作 为该未知节点的可能位置区域，并以其重心作为该未知节点的定位位置。APIT算法实现简 单，但是因为进行PIT测试，所以网络的通信开销相对较大。且由于其定位覆盖率有限，平 均定位精度有限。
[0008] 所以在节点及网络能量有限的情况下，最大限度提高定位精度是一个很受关注的 问题。
【发明内容】
[0009] 本发明的发明目的在于：本发明针对现有技术对于节点及网络的能量消耗与定位 精度不能同时达到满意结果的情况，提出一种利用多跳未知节点来提高定位精度的定位方 法。
[0010] 本发明首先假定：
[0011] 1、网络区域为矩形，网络中节点总数量为n，其中锚点数量为m ;
[0012] 2、由于个体及测量误差的存在，网络中每个节点的最大通信半径和最小通信半径 是不相同的；
[0013] 3、每一个节点与网络范围内其他节点之间的跳数已知；
[0014] 4、为了工程计算的方便，所有节点的可能通信范围与必然通信范围都被当做圆来 处理。
[0015] 本发明的大概思路为：未知节点利用网络中其它未知节点邻居相对于自己的虚拟 通信圆以及未知节点邻居的必然通信圆，分别与未知节点的当前可能位置区域之间的位置 关系来不断缩小未知节点的可能位置区域，未知节点遍历网络中所有的未知节点邻居，当 未知节点的PLA不再变化时,计算出此时未知节点当前可能位置区域的质心作为未知节点 的估计位置。
[0016] 在对本发明方法进行描述之前，先对一些名词术语进行定义：
[0017] 未知节点：为未知坐标位置的节点。
[0018] 未知节点的可能位置区域：在本发明每一步骤操作之后均保证其为一个凸多边形 形状。
[0019] 未知节点的可能位置圆：包含未知节点的可能位置区域的所有顶点的最小圆。
[0020] 如2所示为未知节点U1的当前可能位置区域和可能位置圆的示意图。
[0021] 未知节点的必然通信圆（在后文中有时简称为必然通信圆）：圆心为未知节点的 当前坐标位置，半径为该未知节点的最小通信半径。
[0022] 未知节点邻居相对于未知节点的虚拟通信圆（在后文中有时简称为虚拟通信 圆）：圆心为未知节点邻居的当前坐标位置，半径为该未知节点邻居的可能通信圆的半径 加上彳Λ^,Α。丨集合中所有节点的最大通信半径的累加和。
[0023] 如图3所示为未知节点U1的必然通信圆和虚拟通信圆的示意图。
[0024] 未知节点的可能通信圆：圆心为未知节点的当前坐标位置，半径为该未知节点的 最大通信半径。
[0025] _drf.,.Asj集合：从未知节点邻居As(l彡s彡m)到未知节点U d(m+1彡d彡η)所经 过的跳数最少的路径上的未知节点的集合，包括中间经过的全部未知节点但不包括作为起 始节点的Ud节点和作为目的节点的As节点。
[0026] 本发明的具体技术方案如下：
[0027] -种利用多跳未知节点邻居来提高定位精度的定位方法，包括以下步骤：
[0028] 步骤一、未知节点搜集网络中其他未知节点邻居的当前可能位置区域信息以及距 离自己的跳数信息。
[0029] 步骤二、未知节点按照每个未知节点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历 自己的所有未知节点邻居，未知节点对每个未知节点邻居的处理过程具体如下：
[0030] A、求出未知节点邻居相对于未知节点的当前虚拟通信圆；
[0031] B、若该虚拟通信圆与未知节点的当前可能位置区域有部分交集，则继续执行C步 骤，若该虚拟通信圆包含未知节点的当前可能位置区域，则不做任何处理，直接跳到下一个 未知节点邻居；
[0032] C、找到未知节点的当前可能位置区域位于该虚拟通信圆外的所有顶点并将这些 顶点与虚拟通信圆的圆心分别连接成直线；
[0033] D、通过这些直线与虚拟通信圆的交点作虚拟通信圆的切线，这些切线分别将未知 节点的当前可能位置区域切分为两部分；
[0034] E、未知节点分别以这些切线为界，消除远离该虚拟通信圆的当前可能位置区域的 部分，将剩余部分作为更新后的当前可能位置区域。
[0035] 步骤三、未知节点按照每个未知节点邻居到自己的跳数从小到大的顺序依次遍历 自己的所有跳数大于1的未知节点邻居，未知节点对每个未知节点邻居的处理过程具体如 下：
[0036] A、未知节点根据自己的当前可能位置区域求出当前可能位置圆，并求出未知节点 邻居的必然通信圆；
[0037] B、若该必然通信圆与未知节点的当前可能位置区域有交集区域，则执行C步骤， 若该必然通信圆与未知节点的当前可能位置区域无交集区域，则不做任何处理，直接跳到 下一个未知节点邻居；
[0038] C、求出该必然通信圆与未知节点的当前可能位置圆的两个交点所在直线，该直线 将未知节点的当前可能位置区域切分成两部分；
[0039] D、消除靠近必然通信圆的当前可能位置区域的部分，将剩余部分作为更新后的当 前可能位置区域。
[0040] 步骤四、未知节点将自己更新后的当前可能位置区域广播给其他未知节点邻居， 其他未知节点邻居根据本未知节点当前的可能位置区域更新自己的可能位置区域，然后再 分别将结果广播给本未知节点，如此反复计算，一直到网络中所有未知节点的可能位置区 域不再变化。
[0041] 步骤五、未知节点计算最后得到的可能位置区域的质心坐标，作为该未知节点的 估计位置。
[0042] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果有以下几点：
[0043] 1、利用网络中所有多跳未知节点邻居的位置信息以及跳数关系来进行未知节点 的可能位置区域的消除，有效地提高了定位精度。
[0044] 2、本发明提出的计算方法基于对凸多边形的运算，计算量小，可以有效减小节点 及网络的能量消耗，延长网络的生命周期。
【附图说明】
[0045] 图1是本发明的阀体流程图。
[0046] 图2显示了本发明中未知节点U1的可能位置区域Vpu(U 1)和可能位置圆V^(U1) 之间的关系。其中，4为可能位置圆V^(U1)的半径。
[0047] 图3显示了本发明中未知节点U1的可能通信圆Vra(U 1)和必然通信圆Vra(U1) 之间的关系。其中，可能通信圆V ra(U1)的半径为必然通信圆Vira(U1)的半径为
为未知节点U1的最大通信半径，.为未知节点U1的最小通信半径。
[0048] 图4显示了本发明实施例中利用未知节点U2的可能通信圆Vrce(U 2)来缩小未知节 点U1的当前可能位置区域Va(U1)。
[0049] 图5显示了本发明实施例中利用未知节点U3相对于U1的虚拟通信圆V veeOJ1, U3) 来缩小未知节点U1的当前可能位置区域Vpu(U 1)。