一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于节点连接关系的DV‑Hop改进集中式定位方法，首先每个未知节点获知信标点的位置信息以及距离其他节点的最短跳数；接着每个未知节点获取信标点的平均每跳距离并估算出到信标点的距离；然后每个未知节点通过最小二乘法估算出自身位置坐标作为初始定位结果，然后将初始定位结果以及未知节点的邻居节点信息发送给中心节点；最后中心节点建立最优化问题并求解出该最优化问题，从而计算出所有未知节点的位置坐标。本发明专利技术的方法能够有效提高DV‑Hop算法的定位精确度。

An improved centralized localization method for DV-Hop based on node connection relationship

The present invention relates to an improved centralized positioning method for DV Hop based on node connection relationship. Firstly, each unknown node knows the location information of the beacon point and the shortest hops from other nodes; then each unknown node obtains the average hop distance of the beacon point and estimates the distance to the beacon point; and then each unknown node obtains the distance to the beacon point. The location coordinates of the points are estimated by the least square method as the initial location results, and then the initial location results and the information of the neighbor nodes of the unknown nodes are sent to the central node. Finally, the central node establishes the optimization problem and solves the optimization problem, thus calculating the location coordinates of all unknown nodes. The method of the invention can effectively improve the positioning accuracy of the DV Hop algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法
本专利技术涉及无线定位
，特别是一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法。
技术介绍
在无线传感网中，对传感器节点进行定位主要有测距和免测距这两类方法。与基于测距的定位方法相比，免测距定位虽然定位精确度较低，但由于不需要专用的测距硬件，所以成本非常低，特别适用于低成本无线传感器网络的节点定位。在现有的众多免测距定位算法中，DV-Hop(DistanceVector-Hop)方法的独特优点在于即使未知节点周围没有3个以上信标节点，该方法仍然能对该未知节点进行定位。所以DV-Hop在信标节点稀疏情况下的低成本无线传感器网络中得到广泛应用。2001年，美国罗格斯大学的DragosNiculescu和BadriNath提出了一系列基于距离路由矢量的分布式定位算法，统称为APS(AdHocPositioningSystem，自组网定位系统)。其中包括DV-Hop算法、DV-distance算法和Euclidean算法。DV-Hop算法的基本原理是，每个信标点根据其到其他信标点的直线距离和最短跳数计算出自身的平均跳距，然后对每个未知节点来说，它到各信标点的估测距离为该未知节点到各信标点的最短跳数乘以各信标点的平均跳距，最后采用最小二乘法计算出未知节点的估计位置。DV-Hop算法的流程可以分为以下三个阶段：第一阶段：获取信标点的位置信息以及距离信标点的最小跳数；每个信标点向全网发送包括位置信息和跳数信息的广播数据包，跳数字段的初始值为0。当节点接收到该信标点的广播数据包时，此节点将数据包中的跳数加1，然后记录该数据包中的信息，将该数据包继续广播出去。如节点收到多个来自同一信标点的信息，该节点只保留跳数最小的信息组，通过这种方法记录自己到每个信标点的最小跳数以及信标点的位置信息。第二阶段：估算未知节点到信标点的距离；根据两个信标点间的欧氏距离和最小跳数，计算信标点的平均每跳距离，每个信标点将计算得到的平均每跳距离广播到全网。每个未知节点收到各信标点的平均每跳距离后，通过平均每跳距离和第一阶段得到的到各信标点的最小跳数的乘积来计算与各信标点的近似距离。第三阶段：未知节点计算位置坐标；未知节点得到与三个以上不同信标点的距离后，通过最小二乘法来计算自己的位置坐标。原始的DV-Hop方法是依据跳数来计算平均跳距的，因此当节点分布不均匀时，计算得到的平均跳距就会偏大，从而增大定位误差。为了提高DV-Hop方法的定位精度，国内外学者相继提出了许多改进方法。虽然这些方法都在一定程度上降低了定位误差，但是它们和原始DV-Hop方法都存在一个问题，就是在求得定位结果后，并没有进一步验证根据定位结果推算出来的节点之间连接关系是否仍然符合真实的节点连接关系。比如，对于互为邻居的两个未知节点来说，由于DV-Hop方法的定位结果存在误差，如果根据它们定位结果再次推算它们是否仍然是邻居，那么很可能推算出它们不是邻居，这样就与真实情况不符。所以本专利技术针对定位结果的网络连接关系问题，进一步改进DV-Hop定位方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法，有效降低了定位误差。本专利技术采用以下方案实现：一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法，具体包括以下步骤：步骤S1：每个未知节点获知信标点的位置信息以及距离其他节点的最短跳数；步骤S2：每个未知节点获取信标点的平均每跳距离并估算出到信标点的距离；步骤S3：每个未知节点通过最小二乘法估算出自身位置坐标作为初始定位结果，然后将初始定位结果以及未知节点的邻居节点信息发送给中心节点；步骤S4：中心节点建立最优化问题并求解出该最优化问题，从而计算出所有未知节点的位置坐标。进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：步骤S41：中心节点建立最优化问题，其中优化变量为所有未知节点的未知坐标，目标函数为每个未知节点与初始定位结果的加权距离和最小，约束条件为每个未知节点的邻居关系保持不变，即对每个未知节点来说，经过本专利技术的算法改进后，它与原邻居节点仍保持邻居关系，而与非邻居节点仍保持非邻居关系；将初始定位结果作为第一次迭代初始值；步骤S42：在每次迭代中，将非邻居节点的非凸不等式约束转换为线性约束，对由目标函数、邻居节点的凸约束以及转换后的非邻居节点的线性约束组成的凸优化问题，通过凸优化的工具软件进行求解，例如CVX；步骤S43：将每次求解出的优化问题的最优解作为下次迭代初始值；步骤S44：当满足迭代终止条件时，获得的目标函数的近似最优解就是所有未知节点的位置坐标。进一步地，步骤S42进一步包括：对未知节点的非邻居节点分两种情况考虑：信标点或未知节点；在两种情况下分别对非凸不等式约束进行一阶泰勒展开，从而转换为线性约束，然后将由该线性约束、邻居节点的凸约束以及目标函数组成的优化问题进行求解。进一步地，步骤S44进一步包括：所述迭代终止条件为：迭代收敛速度小于预设的阈值，即本次迭代估算出的目标函数值与上次估算结果的差的绝对值小于预设的阈值时，迭代停止，此时获得的目标函数的近似最优解就是所有未知节点的位置坐标。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术采用的基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法，通过未知节点的连接关系对DV-Hop定位结果进行修正，修正后的定位结果符合节点间的真实连接关系。本专利技术有效地降低了定位误差。附图说明图1为本专利技术实施例的方法流程示意图。图2为本专利技术实施例的节点分布示意图。图3为本专利技术实施例的节点定位结果示意图。图2中，A1、A2、A3是信标点，U1、U2、U3是未知节点；图3中，H1、H2、H3是DV-Hop定位结果，C1、C2、C3是本实施例算法改进结果。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。如图1所示，本实施例提供了一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法，具体包括以下步骤：步骤S1：每个未知节点获知信标点的位置信息以及距离其他节点的最短跳数；步骤S2：每个未知节点获取信标点的平均每跳距离并估算出到信标点的距离；步骤S3：每个未知节点通过最小二乘法估算出自身位置坐标作为初始定位结果，然后将初始定位结果以及未知节点的邻居节点信息发送给中心节点；步骤S4：中心节点建立最优化问题并求解出该最优化问题，从而计算出所有未知节点的位置坐标。较佳的，本实施例的所有节点既包括信标点又包括未知节点。在本实施例中，步骤S4具体包括以下步骤：步骤S41：中心节点建立最优化问题，其中优化变量为所有未知节点的未知坐标，目标函数为每个未知节点与初始定位结果的加权距离和最小，约束条件为每个未知本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于节点连接关系的DV‑Hop改进集中式定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：每个未知节点获知信标点的位置信息以及距离其他节点的最短跳数；步骤S2：每个未知节点获取信标点的平均每跳距离并估算出到信标点的距离；步骤S3：每个未知节点通过最小二乘法估算出自身位置坐标作为初始定位结果，然后将初始定位结果以及未知节点的邻居节点信息发送给中心节点；步骤S4：中心节点建立最优化问题并求解出该最优化问题，从而计算出所有未知节点的位置坐标。

【技术特征摘要】
1.一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：每个未知节点获知信标点的位置信息以及距离其他节点的最短跳数；步骤S2：每个未知节点获取信标点的平均每跳距离并估算出到信标点的距离；步骤S3：每个未知节点通过最小二乘法估算出自身位置坐标作为初始定位结果，然后将初始定位结果以及未知节点的邻居节点信息发送给中心节点；步骤S4：中心节点建立最优化问题并求解出该最优化问题，从而计算出所有未知节点的位置坐标。2.根据权利要求1所述的一种基于节点连接关系的DV-Hop改进集中式定位方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：步骤S41：中心节点建立最优化问题，其中优化变量为所有未知节点的未知坐标，目标函数为每个未知节点与初始定位结果的加权距离和最小，约束条件为每个未知节点的邻居关系保持不变；将初始定位结果作为第一次迭代初始值；步骤S42：在每次迭代中，将非邻居节点的非凸不等式约束转换为线性约束，对由目标函数、邻...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芬，叶勋，俞敏杰，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司，国网福建省电力有限公司信息通信分公司，
类型：发明
国别省市：福建,35