基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于M‑CG改进的无线传感器网络DV‑HOP定位优化方法，包括：S1、初始化设置网络中节点的通信半径，并完成信标节点与未知节点的随机网络拓扑部署，所有信标节点将自身的信息与跳数值广播给周围邻居节点；S2、网络中的未知节点通过接收到邻居节点广播的信息包，并进行转发使网络中全部节点都得到距离参考信标节点的原始最小跳数；S3、计算各个信标节点之间新的最小跳数；并计算对未知节点到信标节点之间新的最小跳数；S4、计算平均每跳距离，并通过各个节点之间新的最小跳数值的归一化作为权值优化平均每跳距离；S5、计算各个未知节点与信标节点之间的距离；S6、计算未知节点的估计坐标；S7、迭代求精。该方法提升算法的鲁棒性和定位精度。

【技术实现步骤摘要】
基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法
本专利技术涉及一种基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法。
技术介绍
科学与计算机网络技术、无线网络通信技术、传感器技术等的飞速进步，加速了无线传感器网络技术的成长。无线传感器网络技术(WirelessSensorNetwork，简称WSN)将大量的、微型的、不规则的传感器布置在待监测区域，然后通过无线通信网络将传感器检测到的数据传播到相关的信息处理中心，从而形成的一种多跳自组织网络。作为全球未来四大技术之一，WSN将不断掀起各行各业的新浪潮。伴随着物联网(InternetofThings，简称IoT)技术的飞速发展，WSN技术因其可靠性、自组织性、容错性与部署快速等特点成为物联网中至关重要的技术。WSN的发展不断给我们的生活带来质的改变。目前己遍及军事侦探、自然灾害的监测与预防、农业生产、医疗健康、环境信息监测等多个领域，在减少人力物力的同时，又极大地提高了信息采集的快速性、全面性，弥补传统技术信息采集的困难性、不及时性等缺点。WSN在实际生活中的应用都需要知道节点自身的位置，比如森林大火发生的时候，就需要快速定位火灾的源头；在发生地震、洞井塌方等地质灾害的时候，为了快速疏散人员，减少人力、物力、财力的损失，需要快速定位到灾害中心。所以，对WSN中的节点定位技术的研究是非常重要的。如果WSN只能获取到海量的数据，却无法知道这些数据的具体位置，即使是知道了这些数据，也是无法有任何作用的，使用不知道位置的数据作研究是徒劳的且没有意义的。如果能够实现定位技术，就能够预测目标行为、快速定位目标，分析数据并根据数据的趋势进行相应的预测。因此，节点定位技术一直是WSN中的研究重点，更是所有实际应用的基础与前提。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，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信标节点间距离时使用的是同一跳距，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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，通过曼哈顿距离和欧几里德距离结合真实反应两个节点之间原始跳数路径距离为参考，计算出信标节点之间直线距离对应的新跳数，并使用CG算法对其未知节点的估计坐标进行迭代求精，提升了算法的鲁棒性和定位精度。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案：本专利技术提供的一种基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，所述方法包含：S1、初始化设置网络中节点的通信半径，并完成信标节点与未知节点的随机网络拓扑部署，所有信标节点将自身的信息与跳数值广播给周围邻居节点；S2、网络中的未知节点通过接收到邻居节点广播的信息包，并进行转发使网络中全部节点都得到距离参考信标节点的原始最小跳数；S3、采用曼哈顿距离与欧几里德距离的均值来计算各个信标节点之间新的最小跳数；并计算对未知节点到信标节点之间新的最小跳数；S4、计算平均每跳距离，并通过各个节点之间新的最小跳数值的归一化作为权值优化平均每跳距离；S5、根据在S3中得到的未知节点之间新的最小跳数和S4中得到的平均每跳距离的乘积，计算各个未知节点与信标节点之间的距离；S6、使用极大似然估计方法计算未知节点的估计坐标；S7、利用CG算法对未知节点估计坐标进行迭代求精。作为本专利技术进一步的改进，所述步骤S1包含：S11、初始化设置网络中节点的通信半径，并完成信标节点与未知节点的网络拓扑部署；S12、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，所述每个信标节点跳数值的初始值设为零；作为本专利技术进一步的改进，所述步骤S2包含：S21、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，并转发给下一跳的邻居节点；S22、接收数据包的节点从其接收的具有相同信标节点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，并转发给下一跳的邻居节点；重复步骤S22，直到泛洪结束。作为本专利技术进一步的改进，所述步骤S3包含：S31、依据上述S1步骤中，由于网络中各个节点是随机分布，两点之间均值作为真实反映原始最小跳数的曲线路径距离，则对应求出两节点之间直线路径新的最小跳数值，的具体为：其中，表示信标节点i和信标节点j之间的原始最小跳数，为信标节点i与信标节点j之间新的最小跳数，i,j∈B，且i≠j，B为未知节点的个数。(xi,yi)和(xj,yj)分别表示信标节点i和信标节点j的坐标。计算出信标节点i与信标节点j之间新的最小跳数为：S32、对未知节点e与信标节点i之间的原始跳数进行修正，得到未知节点e与信标节点i之间新的最小跳数，具体为：其中，e为待定位的未知节点，为未知节点e与信标节点i之间原始的最小跳数，为未知节点e与信标节点i之间新的最小跳数。作为本专利技术进一步的改进，所述步骤S4包含：S41、依据各个信标节点之间获得的新的最小跳数，计算自身平均每跳距离，具体为：其中，Hopsizei表示信标节点i的平均每跳距离，表示信标节点i和信标节点j之间新的最小跳数；S42、为了使定位节点平均每跳距离更接近实际平均每跳距离，将通过各个信标节点在S2中得到的最小跳数值进行归一化，具体公式为：其中，B为信标节点的个数。S43、将δ作为权值进行优化，得到新的平均每跳距离，具体为：作为本专利技术进一步的改进，所述步骤S5中，计算各个未知节点与信标节点之间的距离；S51、由S32可以得到未知节点e与信标节点i的新的最小跳数，计算该最小跳数与S43得到的平均每跳距离的乘积，可得到各个未知节点与信标节点之间的距离。作为本专利技术进一步的改进，所述步骤S6中，通过最大似然估计法计算未知节点的坐标：S61、使用极大似然估计方法计算未知节点的估计坐标；令网络中未知节点e的坐标为(xe,ye)；令信标节点i的坐标为(xi,yi)；根据未知节点e与信标节点i之间估计距离dei列方程组，计算出未知节点估计坐标，具体方程组为：作为本专利技术进一步的改进，步骤S7包含：S71、由于未知节点与信标节点之间距离存在误差ζ，为了使误差最小，需要构建目标函数，具体内容为：其中，(xi,yi)为信标节点i的坐标。S7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，其特征在于包括：/nS1、初始化设置网络中节点的通信半径，并完成信标节点与未知节点的随机网络拓扑部署，所有信标节点将自身的信息与跳数值广播给周围邻居节点；/nS2、网络中的未知节点通过接收到邻居节点广播的信息包，并进行转发使网络中全部节点都得到距离参考信标节点的原始最小跳数；/nS3、采用曼哈顿距离与欧几里德距离的均值来计算各个信标节点之间新的最小跳数；并计算对未知节点到信标节点之间新的最小跳数；/nS4、计算平均每跳距离，并通过各个节点之间新的最小跳数值的归一化作为权值优化平均每跳距离；/nS5、根据在S3中得到的未知节点之间新的最小跳数和S4中得到的平均每跳距离的乘积，计算各个未知节点与信标节点之间的距离；/nS6、使用极大似然估计方法计算未知节点的估计坐标；/nS7、利用CG算法对未知节点估计坐标进行迭代求精。/n

【技术特征摘要】
1.基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，其特征在于包括：
S1、初始化设置网络中节点的通信半径，并完成信标节点与未知节点的随机网络拓扑部署，所有信标节点将自身的信息与跳数值广播给周围邻居节点；
S2、网络中的未知节点通过接收到邻居节点广播的信息包，并进行转发使网络中全部节点都得到距离参考信标节点的原始最小跳数；
S3、采用曼哈顿距离与欧几里德距离的均值来计算各个信标节点之间新的最小跳数；并计算对未知节点到信标节点之间新的最小跳数；
S4、计算平均每跳距离，并通过各个节点之间新的最小跳数值的归一化作为权值优化平均每跳距离；
S5、根据在S3中得到的未知节点之间新的最小跳数和S4中得到的平均每跳距离的乘积，计算各个未知节点与信标节点之间的距离；
S6、使用极大似然估计方法计算未知节点的估计坐标；
S7、利用CG算法对未知节点估计坐标进行迭代求精。


2.根据权利要求1所述的基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，其特征在于：所述步骤S1包含：
S11、初始化设置网络中节点的通信半径，并完成信标节点与未知节点的网络拓扑部署；
S12、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，所述每个信标节点跳数值的初始值设为零。


3.根据权利要求1所述的基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，其特征在于：所述步骤S2包含：
S21、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，并转发给下一跳的邻居节点；
S22、接收数据包的节点从其接收的具有相同信标节点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，并转发给下一跳的邻居节点；重复步骤S22，直到泛洪结束。


4.根据权利要求1所述的基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位优化方法，其特征在于：所述步骤S3包含：
S31、依据上述S1步骤中，由于网络中各个节点是随机分布，两点之间节点的跳数的选择具有随机性，两点之间的路线不为直线，采取引入的信标节点之间曼哈顿距离|xi-xj|+|yi-yj|与欧几里德距离的均值作为真实反映原始最小跳数的曲线路径距离，则对应求出两节点之间直线路径新的最小跳数值，具体为：



其中，表示信标节点i和信标节点j之间的原始最小跳数，为信标节点i与信标节点j之间新的最小跳数，i，j∈B，且i≠j，B为未知节点的个数；(xi，yi)和(xj，yj)分别表示信标节点i和信标节点j的坐标；
计算出信标节点i与信标节点j之间新的最小跳数为：



S32、对未知节点e与信标节点i之间的原始跳数进行修正，得到未知节点e与信标节点i之间新的最小跳数，具体为：



其中，e为待定位的未知节点，为未知节点e与信标节点i之间原始的最小跳数，为未知节点e与信标节点i之间新的最小跳数。


5.根据权利要求1所述的基于M-CG改进的无线传感器网络DV-HOP定位...

【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