一种无线传感器网络定位方法技术

本发明专利技术提供一种无线传感器网络定位方法，包含步骤：S1、信标节点广播包含其位置信息的数据包；网络中的任一节点获得其与任一信标节点之间的第一最小跳数值；信标节点计算到网络中所有其他信标节点的第一平均每跳跳距；S2、任选网络中的一个节点作为起始节点，任选网络中的一个信标节点作为目标节点，计算起始节点与目标节点之间的第二最小跳数值；S3、信标节点计算、修正、广播其到所有其他信标节点的第二平均每跳跳距；S4、未知节点修正并保存其接收的第二平均每跳跳距；S5、根据未知节点保存的所述第二平均每跳跳距，计算该未知节点与任一信标节点之间的估计距离；S6、根据所述估计距离计算未知节点的位置。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络定位方法
本专利技术涉及无线传感器网络定位
，特别涉及一种基于改进跳数和自适应密度优化跳距的3D-IA*ODV-HOP无线传感器网络定位方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是一个由多个传感节点通过多跳方式组成的自组织网络，部署在需要监控的某些特定区域，它对环境的适应性很强，用于采集与处理检测到的信息，同时将处理后的信息发送给检测人员。无线传感网络作为物理世界与数字世界的桥梁，在目标追踪，环境监测，军事侦察甚至在能量管理中已被广泛应用。多数情况下传感器节点的部署区域并不是简单的二维区域，而是随机的投放在复杂多变的三维区域，已有的二维节点定位技术通常不能满足现实需要，因此研究三维区域的传感器节点定位具有很重要的意义。而作为Range-free(无需测距)算法的代表之一，DV-HOP算法应用广泛、易于扩展并且受限制的条件少，根据网络的连通性进行定位，由于其功率消耗和成本低，能做到符合大多数应用场景所要求的定位效果，受到广泛的青睐。对于无线传感器网络DV-HOP算法虽然有很多优点，但是DV-Hop算法是通过距离矢量信息和网络的连通性对未知节点进行定位，并不是直接对节点间距离进行测量，该算法本身会对定位的准确度有一定的影响。其误差产生原因主要有以下几个方面:1.在传统DV-Hop算法或改进的DV-Hop算法中，一般情况下节点都是随机分布的，如果两节点之间的传播路径与直线差距偏大，在第一阶段用直线距离替代折线距离计算平均跳距就会产生较大误差，且节点之间跳数越多，对距离进行估计产生的误差越大。2.在第二阶段估算未知节点与锚节点间距离时使用的是同一跳距，即距离未知节点最近的锚节点的平均跳距，采用单一的平均跳距来估算距离并不能反映出网络的真实情况，定位精度必然会受到影响。A*算法是静态网络中求解最短路径时有效的搜索方法，也是许多算法的启发式算法。本质上似乎是一种贪心选择策略，即走的每一步都是当前状态下的最优选择，吸取了Dijstra和贪婪最佳优先搜索两种方案算法思想，依据权值不断向目标方向前进，而A*算法的路径选择依据主要是通过g(n)、h(n)、f(n)这三个代价函数来实现。g(n)、h(n)、f(n)分别是g*(n)、h*(n)、f*(n)的估计值。g*(n)：从起始节点到第n节点的最短路径的耗散值，h*(n)：从第n节点到目标节点的最短路径的耗散值。如果h(n)偏小了，我们的效率会降低，举一个极端例子，当h(n)＝0，则f(n)＝g(n)，那就是最普通的广搜了；如果h(n)偏大了，时间的效率会大大增加，但是这样会让我们的搜索接近与深搜而可能不能获取最优解。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无线传感器网络定位方法，通过改进A*算法，减少了计算网络节点之间的多跳信号传播路径时产生的角度偏差，优化搜寻路径，得到网络中任一节点与任一信标节点之间的第二最小跳数值，信标节点计算与所有其他信标节点之间的第二最小平均每跳跳距并广播，未知节点能够有效判断其与信标节点之间路径区域内节点分布密集度，根据判断结果为不同信标节点广播的第二平均每跳跳距赋予不同权重，从而修正了未知节点到信标节点的估计距离，使未知节点定位数据更加准确。通过本专利技术能够有效对二维、三维空间的任意无线传感器网络节点进行定位。为了达到上述目的，本专利技术提供一种无线传感器网络定位方法，所述网络中包含已知位置信息的第一至第N信标节点和未知位置信息的第一至第W未知节点，信标节点、未知节点具有相同的通信范围R，所述方法包含：S1、网络中的信标节点向自身外的所有节点广播包含该信标节点位置信息的数据包；网络中的任一节点获得其与任一信标节点之间的第一最小跳数值；网络中的信标节点计算其到网络中所有其他信标节点的第一平均每跳跳距；S2、任选网络中的一个节点作为起始节点，任选网络中的一个信标节点作为目标节点，所述起始节点与所述目标节点之间的具有若干个待跳未知节点；基于所述待跳未知节点相对于起始节点与目标节点之间欧几里得距离的偏离角度，和待跳未知节点与目标节点的估价，搜寻起始节点与目标节点之间的路径，计算起始节点与目标节点之间的第二最小跳数值；S3、信标节点计算其与网络中所有其他信标节点之间的第二平均每跳跳距，修正所述第二平均每跳跳距的误差并广播；S4、未知节点判断其与信标节点之间路径区域为高密度区域或低密度区域，并根据判断结果设置对应的权值，该未知节点根据所述权值修正并保存该信标节点广播的第二平均每跳跳距；S5、根据未知节点保存的所述第二平均每跳跳距，计算该未知节点与任一信标节点之间的估计距离；S6、根据所述估计距离计算未知节点的位置。步骤S1包含：S11、无线传感器网络中的信标节点通过泛洪的方式广播包含自身编号、位置信息以及跳数值的数据包，所述跳数值设为零；S12、信标节点的邻居节点在接收到该信标节点的所述数据包后，将数据包中的跳数值加一，并转发给该邻居节点下一跳的邻居节点；S13、接收数据包的节点从其接收的具有相同所述编号的若干数据包中选取具有最小跳数值的数据包并保存；该节点将选取的数据包中的跳数值加一，并转发该数据包给该节点下一跳的邻居节点；重复步骤S13，直到泛洪结束；S14、记网络中的任一节点所保存的数据包中的跳数值为该节点与对应信标节点之间的第一最小跳数值；网络中的第i信标节点根据公式(1)在三维空间中计算其与所有其他信标节点之间的平均每跳跳距Hopsizei_pre：表示第i信标节点到网络中第j信标节点的第一最小跳数值，i≠j且i,j∈[1,N]；(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)分别表示第i信标节点、第j信标节点的坐标，Hopsizei_pre表示第i信标节点到网络中所有其他信标节点的第一平均每跳跳距。步骤S2包含：S21、任选网络中的一个节点作为起始节点，所述起始节点为网络中的信标节点或未知节点，记所述起始节点为第i′节点；以第j信标节点为目标节点，搜索所述第i′节点到第j信标节点的路径，j∈[1,N]；第x1、…、第xM未知节点为搜索过程中当前节点在其通信范围R内的待跳未知节点，其中x1,…,xm∈[1,W]；计算第xm未知节点到第j信标节点的估价hj(xm)，m∈[1,M]，M为当前节点在其通信范围R内待跳未知节点的总个数；T为从第i′节点到当前节点的跳数值；表示第xm未知节点到第j信标节点的跳数值；第i′节点到第j信标节点的路径经过了第k未知节点，且第xm未知节点落在该路径上，为第k未知节点到第j信标节点的跳数值；为第xm未知节点的偏离角度，表示第i′节点到第j信标节点欧几里德距离与第xm未知节点到第j信标节点欧几里德距离的夹角；为第k未知节点的偏离角度，表示第i′节点到第j信标节点的欧几里德距离与第k未知节点到第j信标节点欧几里德距离的夹角；S22、若第xm′未知节点满足hj(xm′)＝min{hj(x1),…,hj(xM)}，m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络定位方法，所述网络中包含已知位置信息的第一至第N信标节点和未知位置信息的第一至第W未知节点，信标节点、未知节点具有相同的通信范围R，其特征在于，所述方法包含：/nS1、网络中的信标节点向自身外的所有节点广播包含该信标节点位置信息的数据包；网络中的任一节点获得其与任一信标节点之间的第一最小跳数值；网络中的信标节点计算其到网络中所有其他信标节点的第一平均每跳跳距；/nS2、任选网络中的一个节点作为起始节点，任选网络中的一个信标节点作为目标节点，所述起始节点与所述目标节点之间的具有若干个待跳未知节点；基于所述待跳未知节点相对于起始节点与目标节点之间欧几里得距离的偏离角度，和待跳未知节点与目标节点的估价，搜寻起始节点与目标节点之间的路径，计算起始节点与目标节点之间的第二最小跳数值；/nS3、信标节点计算其与网络中所有其他信标节点之间的第二平均每跳跳距，修正所述第二平均每跳跳距的误差并广播；/nS4、未知节点判断其与信标节点之间路径区域为高密度区域或低密度区域，并根据判断结果设置对应的权值，该未知节点根据所述权值修正并保存该信标节点广播的第二平均每跳跳距；/nS5、根据未知节点保存的所述第二平均每跳跳距，计算该未知节点与任一信标节点之间的估计距离；/nS6、根据所述估计距离计算未知节点的位置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络定位方法，所述网络中包含已知位置信息的第一至第N信标节点和未知位置信息的第一至第W未知节点，信标节点、未知节点具有相同的通信范围R，其特征在于，所述方法包含：
S1、网络中的信标节点向自身外的所有节点广播包含该信标节点位置信息的数据包；网络中的任一节点获得其与任一信标节点之间的第一最小跳数值；网络中的信标节点计算其到网络中所有其他信标节点的第一平均每跳跳距；
S2、任选网络中的一个节点作为起始节点，任选网络中的一个信标节点作为目标节点，所述起始节点与所述目标节点之间的具有若干个待跳未知节点；基于所述待跳未知节点相对于起始节点与目标节点之间欧几里得距离的偏离角度，和待跳未知节点与目标节点的估价，搜寻起始节点与目标节点之间的路径，计算起始节点与目标节点之间的第二最小跳数值；
S3、信标节点计算其与网络中所有其他信标节点之间的第二平均每跳跳距，修正所述第二平均每跳跳距的误差并广播；
S4、未知节点判断其与信标节点之间路径区域为高密度区域或低密度区域，并根据判断结果设置对应的权值，该未知节点根据所述权值修正并保存该信标节点广播的第二平均每跳跳距；
S5、根据未知节点保存的所述第二平均每跳跳距，计算该未知节点与任一信标节点之间的估计距离；
S6、根据所述估计距离计算未知节点的位置。


2.如权利要求1所述的无线传感器网络定位方法，其特征在于，步骤S1包含：
S11、无线传感器网络中的信标节点通过泛洪的方式广播包含自身编号、位置信息以及跳数值的数据包，所述跳数值设为零；
S12、信标节点的邻居节点在接收到该信标节点的所述数据包后，将数据包中的跳数值加一，并转发给该邻居节点下一跳的邻居节点；
S13、接收数据包的节点从其接收的具有相同所述编号的若干数据包中选取具有最小跳数值的数据包并保存；该节点将选取的数据包中的跳数值加一，并转发该数据包给该节点下一跳的邻居节点；重复步骤S13，直到泛洪结束；
S14、记网络中的任一节点所保存的数据包中的跳数值为该节点与对应信标节点之间的第一最小跳数值；网络中的第i信标节点根据公式(1)在三维空间中计算其与所有其他信标节点之间的平均每跳跳距Hopsizei_pre：




表示第i信标节点到网络中第j信标节点的第一最小跳数值，i≠j且i,j∈[1,N]；(xi,yi,zi)、(xj,yj,zj)分别表示第i信标节点、第j信标节点的坐标，Hopsizei_pre表示第i信标节点到网络中所有其他信标节点的第一平均每跳跳距。


3.如权利要求2所述的无线传感器网络定位方法，其特征在于，步骤S2包含：
S21、任选网络中的一个节点作为起始节点，所述起始节点为网络中的信标节点或未知节点，记所述起始节点为第i′节点；以第j信标节点为目标节点，搜索所述第i′节点到第j信标节点的路径，j∈[1,N]；第x1、…、第xM未知节点为搜索过程中当前节点在其通信范围R内的待跳未知节点，其中x1,…,xm∈[1,W]；计算第xm未知节点到第j信标节点的估价hj(xm)，m∈[1,M]，M为当前节点在其通信范围R内待跳未知节点的总个数；T为从第i′节点到当前节点的跳数值；




表示第xm未知节点到第j信标节点的跳数值；第i′节点到第j信标节点的路径经过了第k未知节点，且第xm未知节点落在该路径上，为第k未知节点到第j信标节点的跳数值；为第xm未知节点的偏离角度，表示第i′节点到第j信标节点欧几里德距离与第xm未知节点到第j信标节点欧几里德距离的夹角；为第k未知节点的偏离角度，表示第i′节点到第j信标节点的欧几里德距离与第k未知节点到第j信标节点欧几里德距离的夹角；
S22、若第xm′未知节点满足hj(xm′)＝min{hj(x1),…,hj(xM)}，m′∈[1,M]，以第xm′未知节点作为当前节点的下一跳未知节点；
S...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓虎，韩德志，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31