水声3D传感器网络中一种提高定位覆盖范围的方法技术

本发明专利技术属于水声传感器网络通信技术领域，涉及一种水声3D传感器网络中一种提高定位覆盖范围的方法，步骤如下：选择4个锚节点，由每个锚节点同时向自己的协作点和未知节点发送信号；当协作点接收到来自锚节点的信号后，解码然后重新编码，并将信号发送给未知节点；未知节点收到来自锚节点的信号时，记录下信号到达的时间；将来自锚节点和其对应协作点的信号进行合并，得到锚节点发来的信息：锚节点的ID号，信号发送的时间和锚节点的位置；得到锚节点到未知节点的距离；得到四个锚节点到未知节点的距离及对应锚节点的坐标，进而进行定位。本发明专利技术充分考虑了多径衰落的水声信道特点以及节点功率受限的问题，可以提高节点定位覆盖范围。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于水声传感器网络通信
，涉及一种水声3D传感器网络中一种提高定位覆盖范围的方法，步骤如下：选择4个锚节点，由每个锚节点同时向自己的协作点和未知节点发送信号；当协作点接收到来自锚节点的信号后，解码然后重新编码，并将信号发送给未知节点；未知节点收到来自锚节点的信号时，记录下信号到达的时间；将来自锚节点和其对应协作点的信号进行合并，得到锚节点发来的信息：锚节点的ID号，信号发送的时间和锚节点的位置；得到锚节点到未知节点的距离；得到四个锚节点到未知节点的距离及对应锚节点的坐标，进而进行定位。本专利技术充分考虑了多径衰落的水声信道特点以及节点功率受限的问题，可以提高节点定位覆盖范围。【专利说明】水声3D传感器网络中一种提高定位覆盖范围的方法
本专利技术涉及水声传感器网络通信
，具体的讲是一种在3D结构模式下可以提高定位覆盖范围的方法。
技术介绍
水声传感器网络(UASNs,UnderwaterAcoustic Sensor Networks)是以水声为通信介质，以海洋监测为目的，由各种水下传感器节点组成的无线传感器网络，是海洋监测的一种必要手段。网络中的节点利用传感器实时监测、采集网络分布区域内的各种监测信息，经数据融合等信息处理后，通过具有远距离传输能力的水下节点将实时监测信息送到水面基站，然后通过近岸基站或卫星将实时信息传递给用户。但是，在水声传感器网络的绝大多数应用中，只有当传感器节点位置已知，获得的信息才具有意义。因此，水声传感器网络节点定位技术的研究是水声传感器网络技术研究的一个重点和热点。与大气环境不同，水下环境极其复杂多变，给水声传感器网络的发展带来了很大的挑战。水声信道传播延时长；带宽受限；具有多径衰落、运动多普勒漂移以及相位和幅度的震荡等信道特征。无线信道的衰落特性是阻碍信道容量增加和服务质量改善的主要原因之一。分集技术就是为了对抗衰落，提高传输性能而发展起来的一项重要技术。它的基本思路是:如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，那么另一条相对独立的路径中可能包含着较强的信号。如果在多径信号中选择两个或两个以上的信号，则可望保证至少有一个强度足够大的信号副本可以提供给接收机。如果将他们按一定规则合并起来的话，可以得到分集增益。MIMO (multiple-1nput multiple-output)技术是空间分集技术的一种。它通过在接收端和发射端同时安置多个天线，形成MIMO信道结构，从而充分利用了空域资源，大幅度提高了信道容量。但是MMO技术的应用受到了阻碍。水声传感器网络中节点各部分集成度很高，体积相对较小，限制了电池的容量，而复杂多变的水下环境又使得无法为其频繁地更换电源。然而MIMO技术需要在发射端及接收端装有多个天线，这对体积小、能量受限的水声传感器网络节点而言是不实际的。
技术实现思路
本专利技术的目的是，克服现有技术的上述不足，从水声传感器网络中传感器节点功率受限的考虑，提出一种能够提高定位覆盖范围的方法。本专利技术的技术方案如下:水声3D传感器网络中一种提高定位覆盖范围的方法，采用4个坐标已知的锚节点对一个坐标未知的节点，即未知节点进行定位，步骤如下:I) 4个锚节点选取各自的邻节点作为各自的中继节点，即协作点；2)每个锚节点同时向自己的协作点和未知节点发送信号，信号包含锚节点自身的ID号、位置信息和发送的时间，将此信号的前两位标记成00 ；3)当协作点接收到来自锚节点的信号后，将信号进行解码，然后将标记00改为11，其它内容不变，重新编码后，协作点将信号发送给未知节点；4)未知节点收到有00标记的信号时，立即记录下信号到达的时间；5)未知节点将来自锚节点和其对应协作点的信号进行合并，合并前去除00或11的标记；合并时将两信号进行简单的叠加，对合并的信号进行解码，得到锚节点发来的信息:锚节点的ID号，信号发送的时间和锚节点的位置；6)用4)中得到的信号到达的时间减去5)中得到的信号发送的时间，得到信号从锚节点到未知节点所用的时间，用该时间乘以声速，就可得到锚节点到未知节点的距离；7)由上面的过程，可以得到四个锚节点到未知节点的距离及对应锚节点的坐标，进而进行定位。本专利技术提出的方法，充分考虑了多径衰落的水声信道特点以及节点功率受限的问题，在定位测距时，利用虚拟MIMO的思想，加入协作点，形成中继信道传送定位信息。在水声传感器网络中，该方法可以提高节点定位覆盖范围。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术水声传感器网络示意图。图2是本专利技术网络模型。图3是本专利技术中继信道传输模型。【具体实施方式】本专利技术通过在定位中加入协作点，形成虚拟ΜΜ0，以提高定位覆盖范围的定位方法。该方法中，假设节点均是静止的，不随时间变化，声速不随深度，海水温度、盐度等变化，不考虑时间同步问题。至少存在四个锚节点位置已知，且每三个锚节点不在同一条直线上，每四个锚节点不在同一平面上。设其中四个位置已知的锚节点为A，B, C，D，另外一个坐标未知的节点为S。分别选取锚节点A，B，C，D的邻节点作为各自的协作点，为了叙述方便，这里以A为例，选取一个协作点Ra。此协作点与A构成两个发送端口，与接收端口 S —起组成了虚拟MIMO阵列，形成中继信道模型。A向RA、S发送包含自身ID，发送时间和位置信息的信号。A向Ra、S发送信号。Ra对来自A的信号进行解码，重新编码，改标记为协作点标记，然后发送给未知节点S。S接收到A的信号时记录下接收时间，然后将接收到的分别来自A和RA的信号进行合并，提取其中信息。用这些信息和距离相关的定位算法进行定位。本专利技术具体的实现步骤是:步骤一:锚节点A，B, C，D分别选取各自的邻节点Ra，Rb, Rc, Rd作为各自的中继节点，即协作点。A向Ra和S发送包含自身ID、位置信息和发送时间的信号tat，信号前两位标记为00，表示此信号是由参与定位的位置已知的锚节点发出。步骤二:当Ra接收到来自A的信号后，对信号进行解码，将标记信号改为11，作为协作点标记，表明此报文为协作节点发送。然后将信号发送给未知节点S。此时采用的解码和重编码处理往往是接收信号的非线性变换。步骤三:未知节点S接收到A和协作点Ra发来的信号。未知节点S记录下标记00的信号到达时间tm。将接收到的来自A和Ra的信号进行合并，提取其中信息，即A的ID号、位置信息和tat。合并前去除标记信号，由于单个节点的处理能力有限，合并采用等增益合并。等增益合并非常简单，它将各个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，无须对信号分别加权，相加后的信号作为接收信号。由此可以得到时间差Ata=tm_tat。步骤四:B，C，D重复步骤一至步骤三的步骤。未知节点得到B，C，D的ID号、位置信息及时间差Atb, At。，Atdo根据r=vXt，用时间差分别乘以声速1500m/s，得到各锚节点到S的距离。步骤五:用极大似然估计法、四边测量法等距离相关的定位算法处理得到的数据，包括锚节点到S的距离，各锚节点的坐标位置，进行定位。定位估计后再进行定位校正。下面结合附图和实施例对本专利技术进行说明。图1中，展示了一个由基于舰船的移动锚节点、水面浮标锚节点(Buoy)、自沉降浮标(DNR,Dive，N’ Rise)、槽节点、本文档来自技高网...

【技术保护点】
水声3D传感器网络中一种提高定位覆盖范围的方法，采用4个坐标已知的锚节点对一个坐标未知的节点，即未知节点进行定位，步骤如下：1)4个锚节点选取各自的邻节点作为各自的中继节点，即协作点；2)每个锚节点同时向自己的协作点和未知节点发送信号，信号包含锚节点自身的ID号、位置信息和发送的时间，将此信号的前两位标记成00；3)当协作点接收到来自锚节点的信号后，将信号进行解码，然后将标记00改为11，其它内容不变，重新编码后，协作点将信号发送给未知节点；4)未知节点收到有00标记的信号时，立即记录下信号到达的时间；5)未知节点将来自锚节点和其对应协作点的信号进行合并，合并前去除00或11的标记；合并时将两信号进行简单的叠加，对合并的信号进行解码，得到锚节点发来的信息：锚节点的ID号，信号发送的时间和锚节点的位置；6)用4）中得到的信号到达的时间减去5）中得到的信号发送的时间，得到信号从锚节点到未知节点所用的时间，用该时间乘以声速，就可得到锚节点到未知节点的距离；7)由上面的过程，可以得到四个锚节点到未知节点的距离及对应锚节点的坐标，进而进行定位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金志刚，姚贵丹，张俊亮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：