一种基于加权迭代和双重选择的DV-Hop节点定位方法技术

本发明专利技术提出了一种基于加权迭代和双重选择的DV

【技术实现步骤摘要】
一种基于加权迭代和双重选择的DV
‑
Hop节点定位方法


[0001]本专利技术涉及无线传感器网络中节点定位的
，尤其涉及一种基于加权迭代和双重选择的DV
‑
Hop节点定位方法。

技术介绍

[0002]无线传感器网络(WSNs)作为一种全新的信息获取和处理技术，目前已被广泛应用于众多领域，例如：军事侦察、医疗卫生、城市交通、精准农业和森林火灾监测等方面。对于无线传感器网络的应用，大都需要知道事件发生的具体位置，以便做出相应的处理。因此，获取传感器节点的精确位置信息具有十分重要的研究意义。
[0003]对节点定位技术的研究方向主要可以分为两类：基于测距的定位方法和基于非测距的定位方法。常见的测距定位方法包括：到达时间差(TDOA)、接收信号的强度(RSSI)、到达时间(TOA)等。基于测距的定位方法具有较高的定位精度，但由于需要额外硬件测量节点间的角度、距离、信号强度等，增加了搭建网络的开销。DV
‑
Hop定位方法作为典型的非测距定位方法之一，未知节点通过其平均跳距与到锚节点的最小跳数来计算节点间的估计距离，然后通过多边定位法或极大似然估计法计算未知节点的位置坐标。然而，由于网络的复杂性和算法本身的限制，DV
‑
Hop定位方法具有较低的定位精度，限制了一些对节点精度要求较高的场景的应用。
[0004]标准的DV
‑
Hop定位方法采用无偏估计方法计算锚节点的平均跳距，该方法得到的结果通常与真实网络中的平均跳距存在较大的误差(参考文献[1]算法)。Chen等考虑到误差的分布规律，提出一种基于最小均方误差准则的方法来计算锚节点的平均跳距(参考文献[2]算法)，该方法虽然一定程度上提高了锚节点的平均跳距精度，但并未考虑到锚节点间的相互影响程度。在标准DV
‑
Hop定位方法中未知节点仅参考最近的锚节点的平均跳距作为自身的平均跳距，并不能反映出未知节点的真实平均跳距。Zhao等引入权重因子对锚节点的平均跳距进行加权，未知节点的平均跳距以距离其最近的三个锚节点的平均跳距加权求得(参考文献[3]算法)，该方法考虑到了不同锚节点的平均跳距对未知节点平均跳距的贡献度问题，但对于一些特殊网络结构而言，仅参考最近的三个锚节点并不能反映出未知节点在网络中的真实平均跳距。为了提高未知节点与锚节点之间的距离的准确度，Li等采用一种双通信半径的方式计算节点之间的跳数，细化了节点间的通信半径，一定程度上提高了未知节点的定位精度(参考文献[4]算法)，但由于需要二次广播通信半径，增加了传感器节点的能量消耗，降低了节点的使用寿命。
[0005]目前的DV
‑
Hop定位方法采用各种不同方案提高了锚节点的平均跳距的精度，但并未考虑到锚节点之间的相互影响，不同的锚节点对平均跳距的求取应当具有不同的贡献度。同时，在计算未知节点的坐标时，所有的锚节点都参与了计算过程，但如果某个锚节点到未知节点的距离误差较大，将会影响到定位结果。此外，采用最小二乘法求解未知节点坐标时，方程组所产生的潜在误差未能消除。

技术实现思路

[0006]针对现有DV
‑
Hop定位方法定位精度低，利用最小二乘法求解未知节点坐标时未能消除潜在误差的技术问题，本专利技术提出一种基于加权迭代和双重选择的DV
‑
Hop节点定位方法，采用加权迭代的方式求取锚节点的最优平均跳距，并利用双重选择策略获取未知节点的坐标，降低了锚节点平均跳距的误差和节点间的距离误差，进一步提高了未知节点坐标的精度，提高了定位精度。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于加权迭代和双重选择的DV
‑
Hop节点定位方法，其步骤如下：
[0008]步骤一：采用加权迭代策略计算锚节点的最优平均跳距：首先利用最小均方误差准则求取锚节点的初始平均跳距，然后计算锚节点到其他锚节点每一跳的误差值；并将误差值作为锚节点的权重系数，利用加权后的最小均方误差准则重新计算锚节点的平均跳距；比较每次加权迭代后得到的锚节点平均跳距的误差，如果本次迭代求得的锚节点平均跳距的误差小于上次的误差，则继续迭代；否则，迭代结束，将上次求得锚节点的平均跳距作为锚节点的最优平均跳距；
[0009]步骤二：利用步骤一得到的锚节点的最优平均跳距计算未知节点与锚节点之间的估计距离；
[0010]步骤三：采用双重选择方案求取未知节点的坐标：依据不同锚节点到未知节点的距离远近，对锚节点进行分组，并将锚节点组内的每个锚节点分别作为一次参考节点，利用最小二乘法计算未知节点的坐标，从中选取误差最小的坐标作为锚节点组的最优未知节点坐标；最后，比较不同锚节点组求得的最优坐标误差的大小，选取误差最小的坐标作为未知节点的最终坐标。
[0011]所述步骤一中采用加权迭代策略计算锚节点的最优平均跳距的方法为：
[0012]步骤1：网络的初始化：所有锚节点采用泛洪的方式向网络中广播数据包，接收节点通过更改跳数值和传递数据包，获得网络中节点间的最小跳数；
[0013]步骤2：对所有锚节点赋予相同的权值，利用最小跳数和最小均方误差准则求取每个锚节点的初始平均跳距：
[0014][0015]其中，AHD
iinit
为锚节点i的初始平均跳距，Dis
ij
表示锚节点i和锚节点j之间的实际距离，Hop
ij
代表锚节点i到锚节点j的最小跳数，n为网络中锚节点的总数目；
[0016]步骤3：利用步骤2计算的初始平均跳矩，计算锚节点的初始平均跳距的误差：
[0017][0018]其中，η
iinit
代表锚节点i的初始平均跳距的误差，AHD
iinit
·
Hop
ij
为锚节点i到锚节点j的估计距离；
[0019]步骤4：利用步骤2得到的锚节点平均跳距AHD
iinit
计算锚节点之间的估计距离，参考锚节点之间的实际距离和最小跳数计算锚节点间每跳的误差值：
[0020][0021]其中，EH
ij
表示锚节点i到锚节点j的每一跳的误差值；
[0022]步骤5：利用锚节点间每跳的误差值对相应的锚节点赋予权值：
[0023][0024]其中，α
ij
表示在计算锚节点i的平均跳距时，对锚节点j赋予的权值；
[0025]步骤6：利用步骤5中得到的锚节点之间的权值，通过加权最小均方误差准则计算加权后的锚节点平均跳距：
[0026][0027]其中，AHD
i(m)
为第m次加权迭代后求得的锚节点i的平均跳距；
[0028]步骤7：根据步骤6得到的加权后的锚节点平均跳距，计算加权后求得的锚节点平均跳距的误差：
[0029][0030]其中，η
i(m)
表示第m次加权迭代后得到的锚节点i本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于加权迭代和双重选择的DV
‑
Hop节点定位方法，其特征在于，其步骤如下：步骤一：采用加权迭代策略计算锚节点的最优平均跳距：首先利用最小均方误差准则求取锚节点的初始平均跳距，然后计算锚节点到其他锚节点每一跳的误差值；并将误差值作为锚节点的权重系数，利用加权后的最小均方误差准则重新计算锚节点的平均跳距；比较每次加权迭代后得到的锚节点平均跳距的误差，如果本次迭代求得的锚节点平均跳距的误差小于上次的误差，则继续迭代；否则，迭代结束，将上次求得锚节点的平均跳距作为锚节点的最优平均跳距；步骤二：利用步骤一得到的锚节点的最优平均跳距计算未知节点与锚节点之间的估计距离；步骤三：采用双重选择方案求取未知节点的坐标：依据不同锚节点到未知节点的距离远近，对锚节点进行分组，并将锚节点组内的每个锚节点分别作为一次参考节点，利用最小二乘法计算未知节点的坐标，从中选取误差最小的坐标作为锚节点组的最优未知节点坐标；最后，比较不同锚节点组求得的最优坐标误差的大小，选取误差最小的坐标作为未知节点的最终坐标。2.根据权利要求1所述的基于加权迭代和双重选择的DV
‑
Hop节点定位方法，其特征在于，所述步骤一中采用加权迭代策略计算锚节点的最优平均跳距的方法为：步骤1：网络的初始化：所有锚节点采用泛洪的方式向网络中广播数据包，接收节点通过更改跳数值和传递数据包，获得网络中节点间的最小跳数；步骤2：对所有锚节点赋予相同的权值，利用最小跳数和最小均方误差准则求取每个锚节点的初始平均跳距：其中，AHD
iinit
为锚节点i的初始平均跳距，Dis
ij
表示锚节点i和锚节点j之间的实际距离，Hop
ij
代表锚节点i到锚节点j的最小跳数，n为网络中锚节点的总数目；步骤3：利用步骤2计算的初始平均跳矩，计算锚节点的初始平均跳距的误差：其中，η
iinit
代表锚节点i的初始平均跳距的误差，AHD
iinit
·
Hop
ij
为锚节点i到锚节点j的估计距离；步骤4：利用步骤2得到的锚节点平均跳距AHD
iinit
计算锚节点之间的估计距离，参考锚节点之间的实际距离和最小跳数计算锚节点间每跳的误差值：其中，EH
ij
表示锚节点i到锚节点j的每一跳的误差值；步骤5：利用锚节点间每跳的误差值对相应的锚节点赋予权值：
其中，α
ij
表示在计算锚节点i的平均跳距时，对锚节点j赋予的权值；步骤6：利用步骤5中得到的锚节点之间的权值，通过加权最小均方误差准则计算加权后的锚节点平均跳距：其中，AHD
i(m)
为第m次加权迭代后求得的锚节点i的平均跳距；步骤7：根据步骤6得到的加权后的锚节点平均跳距，计算加权后求得的锚节点平均跳距的误差：其中，η
i(m)
表示第m次加权迭代后得到的锚节点i的平均跳距的误差；步骤8：若当前加权迭代次数m＝1，比较第一次加权后求得的锚节点平均跳距的误差η
i(1)
和锚节点的初始平均跳距的误差η
iinit
的大小，如果η
i(1)
<η
iinit
，则继续对锚节点的平均跳距加权迭代求解，返回到步骤4，利用当前迭代得到的锚节点平均跳距AHD
i(1)
作为步骤4中的初始平均跳距AHD
iinit
，重新计算锚节点间的每跳误差，并以每跳的误差值作为权值再次迭代计算锚节点的平均跳距；如果η
i(1)
>η
iinit
，结束迭代计算过程，以步骤2求得的初始平均跳距AHD
iinit
作为锚节点i的最优平均跳；若当前加权迭代次数m>1，比较第m
‑
1次加权后求得的锚节点平均跳距的误差η
i(m
‑
1)
和当前迭代求得的锚节点平均跳距的误差η
i(m)
的大小，如果η
i(m)

【专利技术属性】
技术研发人员：陈天飞，侯帅鑫，孙丽君，牛海旭，赵志鹏，赵攀，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：