一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法技术

本发明专利技术公开了一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法，其在平面或立体空间中部署无线传感器网络；根据对数‑正态能量接收模型，获取每个锚节点接收到的无线信号的功率；中心节点将功率的描述转变为乘积模型，根据最小均方相对误差准则，得到求解源节点的位置估计值和发送功率估计值的问题表达式；通过化简得到估计源节点的位置和发送功率的目标函数；通过引入变量转化为非凸上镜图问题；利用半正定松弛技术，转化为凸的半正定规划问题；利用内点法求解凸的半正定规划问题，得到源节点的位置估计值和发送功率估计值；优点是在源节点的发送功率未知的情况下，从相对误差估计理论和凸优化理论的角度出发实现定位，且定位精度高、计算复杂度低。

【技术实现步骤摘要】
一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法
本专利技术涉及一种目标定位技术，尤其是涉及一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法。
技术介绍
近年来，随着无线传感器网络技术的发展，其目标定位技术在导航、家居、工业和环境监测等领域得到了广泛的应用。现有的目标定位技术中，根据信号测量方式的不同，可以分为到达时间(time-of-arrival，TOA)、到达时间差(time-difference-of-arrival，TDOA)、到达角度(angle-of-arrival，AOA)、接收信号强度(received-signal-strength，RSS)和声能(acousticenergy)。与其他几种方法相比，基于RSS的目标定位方法无需增加额外测距硬件，功耗低，部署简单，非常适合应用于资源受限的无线传感器网络，因而成为了当前目标定位方法研究的热点。当前很多基于RSS的目标定位方法将源节点的发送功率作为先验信息，事实上，在开始定位之前，系统可以通过训练，获得发送功率信息。但在实际应用中，源节点的发送功率受环境和电池电量的影响，很难保证发送功率的一致性。若发送功率不准确，则势必会引入额外的定位误差，导致系统性能降低。因此，有学者提出了针对发送功率未知情况下的目标定位方法。在文献"Onreceived-signal-strengthbasedlocalizationwithunknowntransmitpowerandpathlossexponent(发送功率和路径衰减因子未知情况下基于接收信号强度的定位)"(G.Wang,H.Chen,Y.Li,andM.Jin,IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.1,pp.536-539,2012.)中，Wang等作者提出了一种联合估计源节点发送功率和位置的非线性加权最小均方估计WLS模型，该问题通过UT变换(UnscentedTransformation)和二分法(Bisectionmethod)得到了解决。在文献"RSS-basedlocalizationinwirelesssensornetworksusingconvexrelaxation:Noncooperativeandcooperativeschemes(使用凸松弛方法求解无线传感器网络中的基于接收信号强度的定位问题：合作和非合作方案)"(S.Tomic,M.Beko,andR.Dinis,IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.64,pp.2037-2050,2014)和文献"Cooperativereceivedsignalstrength-basedsensorlocalizationwithunknowntransmitpowers(发送功率未知情况下基于接收信号强度的合作定位)"(R.M.Vaghefi,M.R.Gholami,R.M.Buehrer,andE.G.Strom,IEEETransactionsonSignalProcessing,vol.61,pp.1389-1403,2012.)中，原ML问题转换为发送功率和位置未知的近似非线性加权最小均方估计问题，通过凸松弛，进一步将问题转化为凸的半正定规划和二阶锥规划问题，使得问题得到了高效解决。在文献"RSS-basedmethodforsensorlocalizationwithunknowntransmitpoweranduncertaintyinpathlossexponent(发送功率未知、路径衰减因子不确定条件下的基于接收信号强度的传感器定位方法)"(J.Huang,P.Liu,W.Lin,andG.Gui,Sensors,vol.16,p.1452,2016.)中，Huang等人提出了一个在路径衰减因子(Pathlossexponent，PLE)不确定情况下的联合估计发送功率和未知位置的WLS闭式解法。在文献"RSS-basedlocalizationofmultipledirectionalsourceswithunknowntransmitpowersandorientations(发送功率和方向未知条件下的基于接收信号强度的多方向源定位)"(P.Zuo,T.Peng,K.You,W.Guo,andW.Wang,IEEEAccess,vol.7,pp.88756-88767,2019.)中，作者提出了三种基于网格搜索(Gridsearch)的定位算法，以同时估计发送功率、节点位置和节点方向。在文献"AMajorization-MinimizationbasedTargetLocalizationProblemfromRangeMeasurements(基于优化最小化的测距目标定位问题)"(K.Gao,J.Zhu,andZ.Xu,IEEECommunicationsLetters,2020.)中，Gao等人提出了一种基于优化最小化(Majorization-minimization，MM)的联合估计源节点发送功率和位置的方法。然而，从目前的针对发送功率未知情况下的目标定位方法来看，存在着以下两个方面的特征：一方面，大部分方法基于最小均方(Leastsquares，LS)准则，即算法的目标是最小化绝对均方误差；另一方面，为了得到定位问题的最小均方估计表达，大部分方法使用了一阶泰勒展开(First-orderTaylorseries)来对原问题进行近似，这会导致大噪声条件下目标定位方法性能的下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法，其在源节点的发送功率未知的情况下，从相对误差估计理论和凸优化理论的角度出发实现目标定位，且定位精度高、计算复杂度低，适用于复杂部署环境。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：在一个平面空间或者立体空间中部署无线传感器网络，该无线传感器网络中存在1个位置未知的用于发射无线信号的源节点、N个位置已知的用于接收无线信号的锚节点、1个用于源节点的位置估计和发送功率估计的中心节点，将源节点的位置记为x，将N个锚节点的位置分别记为s1,s2,…,si,…,sN；其中，N为正整数，若无线传感器网络部署在平面空间中则取N≥4，若无线传感器网络部署在立体空间中则取N≥5，s1表示第1个锚节点的位置，s2表示第2个锚节点的位置，si表示第i个锚节点的位置，sN表示第N个锚节点的位置，i为正整数，1≤i≤N；步骤2：根据对数-正态能量接收模型，获取每个锚节点接收到的无线信号的功率，将第i个锚节点接收到的无线信号的功率记为Pi，并用来描述Pi；其中，d0表示参考距离，P0表示距离源节点为d0时接收到的无线信号的功率，β表示路径衰减因子，符号“||||”为求欧氏距离符号，ni表示第i个锚节点接收无线信号时受到的噪声，ni服从均值为0且方差为的高斯分布；步骤3：每个锚节点将其接收到的无线信号的功率发送给中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：在一个平面空间或者立体空间中部署无线传感器网络，该无线传感器网络中存在1个位置未知的用于发射无线信号的源节点、N个位置已知的用于接收无线信号的锚节点、1个用于源节点的位置估计和发送功率估计的中心节点，将源节点的位置记为x，将N个锚节点的位置分别记为s

【技术特征摘要】
1.一种发送功率未知条件下的传感器网络定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在一个平面空间或者立体空间中部署无线传感器网络，该无线传感器网络中存在1个位置未知的用于发射无线信号的源节点、N个位置已知的用于接收无线信号的锚节点、1个用于源节点的位置估计和发送功率估计的中心节点，将源节点的位置记为x，将N个锚节点的位置分别记为s1,s2,…,si,…,sN；其中，N为正整数，若无线传感器网络部署在平面空间中则取N≥4，若无线传感器网络部署在立体空间中则取N≥5，s1表示第1个锚节点的位置，s2表示第2个锚节点的位置，si表示第i个锚节点的位置，sN表示第N个锚节点的位置，i为正整数，1≤i≤N；
步骤2：根据对数-正态能量接收模型，获取每个锚节点接收到的无线信号的功率，将第i个锚节点接收到的无线信号的功率记为Pi，并用来描述Pi；其中，d0表示参考距离，P0表示距离源节点为d0时接收到的无线信号的功率，β表示路径衰减因子，符号“||||”为求欧氏距离符号，ni表示第i个锚节点接收无线信号时受到的噪声，ni服从均值为0且方差为的高斯分布；
步骤3：每个锚节点将其接收到的无线信号的功率发送给中心节点；
步骤4：中心节点将每个锚节点接收到的无线信号的功率的描述转变为乘积模型，转变的乘积模型为：然后令di＝||x-si||、再将简化为接着根据最小均方相对误差准则，并结合得到求解源节点的位置估计值和发送功率估计值的问题表达式，描述为：之后将转化为最后将化简为其中，为引入的中间变量，di表示x与si之间的欧氏距离，r为针对P0引入的中间变量，ξi表示ni对应的复合噪声项，ξi服从高斯分布，符号“[]”为向量或矩阵表示符号，T为转置符号，表示x的估计值，表示r的估计值，符号“||”为取绝对值符号，表示求使得γ的值最小时x和r的值；
步骤5：令将进一步化简为然后令y＝gx，得到gdi＝g||x-si||＝||y-gsi||，再将gdi＝g||x-si||＝||y-gsi||代入中，得到估计源节点的位置和发送功率的目标函数，描述为：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：施炯，金丽萍，毛雯雯，李君，
申请(专利权)人：浙江万里学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33