一种自适应精度控制的WSN节点定位方法技术

一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，本发明专利技术涉及WSN节点定位方法。本发明专利技术是要解决噪声和信标节点的部署会导致WSN节点的定位误差波动的问题而提出的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。该方法是步骤一、设U接收到信号的第i个信标节点为Bi＝(xi,yi)；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量；步骤三、得到U位置的估计坐标；步骤四、计算定位误差的方差；步骤五、获得未知节点所需测量信标节点Bi信号的次数Knew；步骤六、得到未知节点接收到来自信标节点Bi的信号功率的平均值为；步骤七、得到未知节点最终的定位结果xk,yk等步骤实现的。本发明专利技术应用于WSN节点定位领域。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应精度控制的WSN节点定位方法
本专利技术涉及WSN节点定位方法，特别涉及一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是借助部署大量具有感知、计算和无线通信能力的传感器节点而组成的网络。传感器节点具备感知、计算和通信等功能，彼此合作完成一些复杂的任务。一般情况下，要提供这些服务，首先要获得传感器节点的位置信息。因此，WSN节点的定位问题逐渐成为人们关注的热点。常用的WSN节点定位方法很多，一般首先都需要已知一些节点的位置信息，这类节点被称为信标节点，在获取信标节点位置的基础上，借助一定的定位方法，完成未知节点的定位。基于RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)来进行测距的WSN节点定位是一种较为常用的方法。在获得RSSI的基础上，通过一定的信号传播模型就可以进行测距。可是在噪声的影响下，RSSI具有一定的波动特性，会引入一定的测距误差，从而WSN节点的定位误差也是波动的。此外，信标节点的分布均匀情况下，一般能够获得好的定位结果，但实际情况下，信标节点的部署有可能是随机的从而导致WSN节点的定位误差波动。因此，WSN节点在不同位置、不同时间的定位具有很大的差异性。一般情况下，可以通过多次测量RSSI求平均值，来提高WSN节点定位的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决噪声和信标节点的部署会导致WSN节点的定位误差波动的问题而提出的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点U＝(x,y)，设U接收到信号的第i个信标节点为Bi＝(xi,yi)，i＝1,2,...,N,N≤M，Bi对于未知节点U是可见的；其中，(xi,yi)表示信标节点Bi的坐标，N表示对于未知节点U可见的信标节点的数目；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信标节点Bi的距离vi：根据vi得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量其中，i＝1,2,...,N；在距离信标节点d0处设置参考节点，参考节点接收信标节点Bi的信号功率为Pi(d0)；未知节点U与信标节点Bi的距离为di；在不受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点Bi的信号功率为Pi(di)；在高斯噪声n的影响下，未知节点U通过K次测量接收到信标节点Bi的信号功率的均值为α为路径损耗指数，对于传感器网络工作环境为自由空间时,其值一般取为2；n为均值为0，方差为的高斯噪声；K为整数；步骤三、根据无偏估计量结合加权最小二乘法和牛顿迭代法得到如下矩阵形式：b＝H·△X(3)其中，权重矩阵W为：获得△X为：△X＝(HTWH)-1HTWb(7)取△X＝[(xk-xk-1)(yk-yk-1)]T，根据公式(4)、(5)、(6)和(7)进行迭代求解，得到信号测量次数为K次时，未知节点U位置的估计坐标其中，xk,yk为第k次牛顿迭代法求解未知节点U位置坐标；步骤四、定义误差因子R＝tr((HTD-1H)-1)，根据未知节点U位置的估计坐标计算定位误差的方差为：其中，tr(·)表示矩阵的迹，即对角线元素之和；定义diag[·]表示对角阵；步骤五、根据WSN节点定位的实际需求，令定位误差的标准差的门限值为PL，也称为保护门限；若满足退出程序执行，xk,yk为未知节点最终的定位结果，若则获得未知节点所需测量信标节点Bi信号的次数Knew为：表示向上取整，根据保护门限PL，结合式(9)，计算需要测量信标节点Bi信号的次数Knew；步骤六、若Knew≤K，退出程序执行，xk,yk为未知节点最终的定位结果；若Knew>K，未知节点U在K次的基础上，再次测量(Knew-K)次接收到的信标节点Bi的信号功率则未知节点接收到来自信标节点Bi的信号功率的平均值为步骤七、将K值更新为K＝Knew，重新执行步骤二～七的过程，直至满足Knew≤K或退出程序执行，得到未知节点最终的定位结果xk,yk；即完成了一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。专利技术效果本专利技术提出了一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，能够在不增加任何硬件资源的情况下，控制基于RSSI的WSN节点定位的精度，有效提高WSN节点定位的鲁棒性。本方法中WSN节点可独立定位，能够适应无线传感器网络分布式定位的需求。考虑二维平面定位的情况，三维情形可以类似推广。为实现对定位精度的自适应控制，对于给定的保护门限PL＝1m的情况，可以获得信号测量次数K与误差因子R的关系如图3所示：从图3可以看出定位仿真中获得的K具有较高的可信度，能够与理论值相吻合。图4中给出了自适应精度控制下，定位的均方根误差与保护门限的关系。蓝色线表示保护门限PL，其恒定为1m。红点表示定位仿真中定位的均方根误差情况。从图4中可以看出，定位的均方根误差大多保持在0.9m和1.1m之间，和设定的保护门限PL基本一致。这说明本算法通过对信标节点信号测量次数K的控制，能够自适应的控制WSN节点定位误差处于一定的范围内，提高WSN节点定位的鲁棒性。附图说明图1为实施例一提出的定位轨迹及信标节点分布图；图2为实施例一提出的定位误差的方差与误差因子R的关系图；图3为实施例一提出的信号测量次数K与误差因子R的关系图；图4为实施例一提出的定位的均方根误差与保护门限的关系图；图5为具体实施方式一提出的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，具体是按照以下步骤制备的：步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点U＝(x,y)，设U接收到信号的第i个信标节点为Bi＝(xi,yi)，i＝1,2,...,N,N≤M，Bi对于未知节点U是可见的；其中，(xi,yi)表示信标节点Bi的坐标，N表示对于未知节点U可见的信标节点的数目；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信标节点Bi的距离vi：根据vi得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量其中，i＝1,2,...,N；在距离信标节点d0处设置参考节点，参考节点接收信标节点Bi的信号功率为Pi(d0)；未知节点U与信标节点Bi的距离为di；在不受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点Bi的信号功率为Pi(di)；在高斯噪声n的影响下，未知节点U通过K次测量接收到信标节点Bi的信号功率的均值为α为路径损耗指数，对于传感器网络工作环境为自由空间时,其值一般取为2；n为均值为0，方差为的高斯噪声；K为整数；步骤三、根据无偏估计量结合加权最小二乘法和牛顿迭代法得到如下矩阵形式：b＝H·△X(3)其中，权重矩阵W为：获得△X为：△X＝(HTWH)-1HTWb(7)取△X＝[(xk-xk-1)(yk-yk-1)]T，根据公式(4)、(5)、(6)和(7)进行迭代求解，得到信号测量次数为K次时，未知节点U位置的估计坐标其中，xk,yk为第k次牛顿迭代法求解未知节点U位置坐标；步骤四、定义误差因子R＝tr((HTD-1H)-1)，根据未知节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于一种自适应精度控制的WSN节点定位方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点U＝(x,y)，设U接收到信号的第i个信标节点为Bi＝(xi,yi)，i＝1,2,...,N,N≤M，Bi对于未知节点U是可见的；其中，(xi,yi)表示信标节点Bi的坐标，N表示对于未知节点U可见的信标节点的数目；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信标节点Bi的距离vi：根据vi得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量d^i=10Pi(d0)-P‾i(di)10·α-σw2ln102K---(2)]]>其中，i＝1,2,...,N；在距离信标节点d0处设置参考节点，参考节点接收信标节点Bi的信号功率为Pi(d0)；未知节点U与信标节点Bi的距离为di；在不受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点Bi的信号功率为Pi(di)；在高斯噪声n的影响下，未知节点U通过K次测量接收到信标节点Bi的信号功率的均值为α为路径损耗指数，对于传感器网络工作环境为自由空间时,其值一般取为2；n为均值为0，方差为的高斯噪声；K为整数；步骤三、根据无偏估计量结合加权最小二乘法和牛顿迭代法得到如下矩阵形式：b＝H·△X   (3)H=xk-1-x1r1yk-1-y1r1xk-1-x2r2yk-1-y2r2......xk-1-xNrNyk-1-yNrN---(4)]]>b=d^1-r1d^2-r2...d^N-rN---(5)]]>其中，△X＝[(x‑xk‑1) (y‑yk‑1)]T,i＝1,2,...,N；权重矩阵W为：获得△X为：△X＝(HTWH)‑1HTWb (7)取△X＝[(xk‑xk‑1) (yk‑yk‑1)]T，根据公式(4)、(5)、(6)和(7)进行迭代求解，得到信号测量次数为K次时，未知节点U位置的估计坐标其中，xk,yk为第k次牛顿迭代法求解未知节点U位置坐标；步骤四、定义误差因子R＝tr((HTD‑1H)‑1)，根据未知节点U位置的估计坐标计算定位误差的方差为：σp2=R·(10(σw2ln10)/K-1)---(8)]]>其中，tr(·)表示矩阵的迹，即对角线元素之和；定义D=diagd^12d^22...d^N2,]]>diag[·]表示对角阵；步骤五、根据WSN节点定位的实际需求，令定位误差的标准差的门限值为PL，也称为保护门限；若满足退出程序执行，xk,yk为未知节点最终的定位结果，若则获得未知节点所需测量信标节点Bi信号的次数Knew为：表示向上取整，根据保护门限PL，结合式(9)，计算需要测量信标节点Bi信号的次数Knew；步骤六、若Knew≤K，退出程序执行，xk,yk为未知节点最终的定位结果；若Knew>K，未知节点U在K次的基础上，再次测量(Knew‑K)次接收到的信标节点Bi的信号功率j＝1,2,…,Knew‑K；则未知节点接收到来自信标节点Bi的信号功率的平均值为P‾i(di)=KKnewP‾i(di)+1KnewΣj=1Knew-KP^ij(di)---(10)]]>步骤七、将K值更新为K＝Knew，重新执行步骤二～七的过程，直至满足Knew≤K或退出程序执行，得到未知节点最终的定位结果xk,yk；即完成了一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。...

【技术特征摘要】
1.一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于一种自适应精度控制的WSN节点定位方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点U＝(x,y)，设U接收到信号的第i个信标节点为Bi＝(xi,yi)，i＝1,2,...,N,N≤M，Bi对于未知节点U是可见的；其中，(xi,yi)表示信标节点Bi的坐标，N表示对于未知节点U可见的信标节点的数目；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信标节点Bi的距离vi：根据vi得到未知节点U到信标节点Bi真实距离di的无偏估计量其中，i＝1,2,...,N；在距离信标节点d0处设置参考节点，参考节点接收信标节点Bi的信号功率为Pi(d0)；未知节点U与信标节点Bi的距离为di；在不受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点Bi的信号功率为Pi(di)；在高斯噪声n的影响下，未知节点U通过K次测量接收到信标节点Bi的信号功率的均值为α为路径损耗指数，对于传感器网络工作环境为自由空间时,其值一般取为2；n为均值为0，方差为的高斯噪声；K为整数；步骤三、根据无偏估计量结合加权最小二乘法和牛顿迭代法得到如下矩阵形式：b＝H·ΔX(3)其中，ΔX＝[(x-xk-1)i＝1,2,...,N；权重矩阵W为：获得ΔX为：ΔX＝(HTWH)-1HTWb(7)取ΔX＝[(xk-xk-1)(yk-yk-1)]T，根据公式(4)、(5)、(6)和(7)进行迭代求解，得到信号测量次数为K次时，未知节点U位置的估计坐标其中，xk,yk为第k次牛顿迭代法求解未知节点U位置坐标；步骤四、定义误差因子R＝tr((HTD-1H)-1)，根据未知节点U位置的估计坐标计算定位误差的方差为：其中，tr(·)表示矩阵的迹，即对角线元素之和；定义diag[·]表示对角阵；步骤五、根据WSN节点定位的实际需求，令定位误差的标准差的门限值为PL，也称为保护门限；若满足退出程序执行，xk,yk为未知节点最终的定位结果，若则获得未知节点所需测量信标节点Bi信号的次数Knew为：表示向上取整，根据保护门限PL，结合式(9)，计算需要测量信标节点Bi信号的次数Knew；步骤六、若Knew≤K，退出程序执行，xk,yk为未知节点最终的定位结果；若Knew>K，未知节点U在K次的基础上，再次测量(Knew-K)次接收到的信标节点Bi的信号功率j＝1,2,…,Knew-K；则未知节点接收到来自信标节点Bi的信号功率的平均值为

【专利技术属性】
技术研发人员：韩帅，岳晋，孟维晓，巩紫君，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23