无线传感器网络复杂区域划分方法和节点定位方法技术

本发明专利技术涉及无线传感器网络复杂区域划分方法和节点定位方法。所涉及的划分方法包括：确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集；确定边界节点中的凹节点和凸节点；将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域。所涉及的定位方法包括利用所涉及的复杂区域划分方法对复杂区域进行划分，然后利用传统的定位方法对各子区域进行定位。本发明专利技术的方法适合大规模复杂区域的监测，且定位精度高。

【技术实现步骤摘要】
无线传感器网络复杂区域划分方法和节点定位方法
本专利技术涉及无线传感器网络的应用技术，特别是一种针对无线传感器网络复杂区域划分方法及节点定位方法。
技术介绍
利用无线传感器网络技术对古建筑进行监测、保护和险情预警，如故宫博物馆智能监测系统、敦煌莫高窟遗址保护、和TorreAquila古塔监测系统等等，都取得较好的效果，实现对环境信息长期实时监测，且网络本身不会对文物本身造成损伤。将无线传感器网络应用于大型土遗址保护监测下，与一般通用的场景和搭建的模拟环境相比，节点的自定位技术在实际应用中，有着意想不到的困难和亟待解决的问题。大型土遗址覆盖区域广，区域形状具有相当复杂性，网络监测范围常以平方公里为单位计算，要实现区域全覆盖，需要部署大量的节点数。为避免人为侵入对土遗址造成不可预知的破坏，节点一般借助无人飞行器，随机播撒的方式进行部署，该部署方式导致节点分布具有不规则性。无线传感器网络在大型土遗址保护的应用过程中，存在很多关键技术点，其中如何确定传感器节点本身的空间位置信息对遗址的保护起着关键性的作用。通过确定监测点传感器自身的位置，确定环境中温湿度、光照、霉变、盐碱度等事件发生变化的位置，以及有效发现土遗址发生裂变、形变、倾斜等险情的位置。已有的针对无线传感器网络复杂区域下的基于网络连通性的节点定位方法主要有：YueWang等人提出一种基于组件的定位算法，具体利用网络连通度获得逻辑拓扑结构，并利用三角形剖分原理，构建Voronoi图，解决复杂区域下，无信标节点的大规模无线传感器网络节点定位问题；该方法通过构建虚洞，对经过网络空洞的最短路径进行标记，采用三角函数理论，通过距离向量加减法求解节点间校准距离估计，该算法称之为REP；MoLi，YunWang等人对由于复杂区域这一主要因素，形成的各项异性网络环境下，对节点定位做出相关研究工作，解决网络通信“空洞”带来的定位误差问题。该方法的研究者提出虚拟尺思想，利用网络中的“拐点”信息，重新定义度量尺长度和划分度量刻度，解决在网络“空洞”存在下，提高DV-Hop定位算法的精度问题。土遗址分布广阔，基于系统成本出发，常常划分为重灾监测区和非重点监测区，对网络节点部署密度有不同要求，导致节点密度具有不均匀性。遗址形状复杂和凹凸起落，伴有各种障碍物、众多环境噪声和网络通信“空洞”。其各种复杂因素，导致常规定位模型失效，其表现为定位精度明显下降、算法计算量增大、通信开销量级增长，网络生存周期缩短。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题和缺陷，本专利技术的目的之一在于提供一种无线传感器网络复杂区域划分方法。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种无线传感器网络复杂区域划分方法，方法包括以下步骤：（1）确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集ω；（2）确定边界节点集ω中的凹节点和凸节点：分别对各边界节点进行确定，当待确定边界节点的凹凸率大于（1+δ1）时为凹节点，当待确定边界节点的凹凸率小于（1-δ2）时为凸节点，其中δ1和δ2为修正因子，0≤δ1≤0.3，0≤δ2≤0.3；对于待确定边界节点p，p∈ω，其凹凸率cK(p)为：cK(P)=DKP(p1,p2)π×K]]>（式1）（式1）中：为所有节点中与边界节点p的跳数距离等于K跳的节点的集合，且p1节点与p2节点间的所有跳数距离均大于1跳；DKP(p1,p2)=|∂NK(P)|-1-ϵ;0≤ϵ≤max{ϵ1,ϵ2,···,ϵi,...ϵI};ϵi=|K-hi|;i=1,2,···,I;]]>I为p1节点与p2节点间通讯所需辅助节点的总个数；hi为辅助节点qi与P点的最短跳数距离；hi≠K，且所有辅助节点不属于K为节点间的跳数距离，2≤K≤5；（3）将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；利用至少一条区域划分线段将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；步骤（2）确定的所有凹节点中每个凹节点对应一条区域划分线段：对于凹节点T，其对应的区域划分线段的确定方法如下：确定T1节点和T2节点，其中T1∈ω，T2∈ω，T1节点与凹节点T的跳数距离及T2节点与凹节点T的跳数距离均等于K跳，且T1节点与T2节点间的所有跳数距离均大于1跳；T1节点和T2节点向无线传感器网络复杂区域中的所有节点发送数据包，接收到数据包的节点记录其与T1节点和T2节点的最短跳数距离，凹节点T对应的区域划分线段由与T1节点和T2节点的最短跳数距离相等的节点确定。针对现有技术的缺陷或不足，本专利技术还提供了无线传感器网络复杂区域中的节点定位方法，方法包括以下步骤：利用上述的无线传感器网络复杂区域划分方法将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；对多个凸拓扑结构的子区域分别进行节点定位。进一步，采用下述方法对多个凸拓扑结构的子区域分别进行定位：每个子区域包括多个信号节点和多个未知节点，定位方法包括以下步骤：A、确定子区域的平均单跳距离设当前定位的子区域中包含有N个信号节点，该子区域的平均单跳距离HopSizeN为：HopSizeN=Σm≠nhopmn×dmnΣm≠nhopmn2]]>（式2）（式2）中：dmn为信标节点m和信标节点n间的实际距离；hopmn为信标节点m和信标节点n间的最短跳数距离；m＝1,2,…,N，n＝1,2,…,N，且m≠n；B、确定每个未知节点的信号节点，每个未知节点确定至少三个信标节点；C、根据信标节点的坐标位置计算未知节点的坐标位置。进一步，步骤B中，对于未知节点PX，在其通信范围内的所有信标节点中相邻信标节点的几何精度因子最小。进一步，首先排除三个信标节点共线的情况，再确定未知节点的三个信标节点。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：适合大规模复杂区域的监测，且定位精度高。附图说明以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步解释说明。图1为无线网络传感器复杂区域划分示意图；图2为P点三跳范围内节点集示意图；图3为L型复杂区域划分示意图；图4是回字型拓扑区域划分示意图；图5为未知节点O的信标节点部署示意图；图6是信标节点构成不同几何位置的1/GDOP的值；图7是信标节点构成不同几何位置的GDOP值。具体实施方式本专利技术所述的无线传感器网络指的是多个无线传感器节点基于网络连通性组成的网络。本专利技术所述的无线传感器网络复杂区域指的是无线传感器网络中区域形状为凹形、区域中的随机分布至少1000个无线传感器节点的区域。复杂区域主要是指传感器网络监测保护的区域所呈现的不规则地理地形，使得随机部署的节点其分布区域的形状具有不规则性，或者是传感器网络监测区域中存在阻隔信号传输的障碍物或者网络空洞等情况。本专利技术所述的区域形状为凹形指的是区域的边界存在凹形，如L形区域（如图3所示）、C形区域（如图1所示）、回字形区域（如图4所示）。本专利技术所述的确定无线传感器网络复杂区域的边界节点可采用Wang本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络复杂区域划分方法，其特征在于，方法包括以下步骤：（1）确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集ω；（2）确定边界节点集ω中的凹节点和凸节点：分别对各边界节点进行确定，当待确定边界节点的凹凸率大于（1+δ1）时为凹节点，当待确定边界节点的凹凸率小于（1?δ2）时为凸节点，其中δ1和δ2为修正因子，0≤δ1≤0.3，0≤δ2≤0.3；对于待确定边界节点p，p∈ω，其凹凸率cK(p)为：cK(P)=DKP(p1,p2)π×K（式1）（式1）中：为所有节点中与边界节点p的跳数距离等于K跳的节点的集合，且p1节点与p2节点间的所有跳数距离均大于1跳；DKP(p1,p2)=|∂NK(P)|-1-ϵ;0≤ϵ≤max{ϵ1,ϵ2,···,ϵi,...ϵI};ϵi=|K-hi|;i=1,2,···,I;I为p1节点与p2节点间通讯所需辅助节点的总个数；hi为辅助节点qi与P点的最短跳数距离；hi≠K，且所有辅助节点不属于K为节点间的跳数距离，2≤K≤5；（3）将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；利用至少一条区域划分线段将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；步骤（2）确定的所有凹节点中每个凹节点对应一条区域划分线段：对于凹节点T，其对应的区域划分线段的确定方法如下：确定T1节点和T2节点，其中T1∈ω，T2∈ω，T1节点与凹节点T的跳数距离及T2节点与凹节点T的跳数距离均等于K跳，且T1节点与T2节点间的所有跳数距离均大于1跳；T1节点和T2节点向无线传感器网络复杂区域中的所有节点发送数据包，接收到数据包的节点记录其与T1节点和T2节点的最短跳数距离，凹节点T对应的区域划分线段由与T1节点和T2节点的最短跳数距离相等的节点确定。FDA0000394778090000012.jpg,FDA0000394778090000013.jpg,FDA0000394778090000014.jpg,FDA0000394778090000016.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络复杂区域划分方法，其特征在于，方法包括以下步骤：(1)确定无线传感器网络复杂区域的边界节点，得到边界节点集ω；(2)确定边界节点集ω中的凹节点和凸节点：分别对各边界节点进行确定，当待确定边界节点的凹凸率大于(1+δ1)时为凹节点，当待确定边界节点的凹凸率小于(1-δ2)时为凸节点，其中δ1和δ2为修正因子，0≤δ1≤0.3，0≤δ2≤0.3；对于待确定边界节点p，p∈ω，其凹凸率cK(p)为：式1中：为p1节点与p2节点间通讯所需辅助节点的总个数；hi为辅助节点qi与P点的最短跳数距离；hi≠K，且所有辅助节点不属于为所有节点中与边界节点p的跳数距离等于K跳的节点的集合，且p1节点与p2节点间的所有跳数距离均大于1跳；K为节点间的跳数距离，2≤K≤5；(3)将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；利用至少一条区域划分线段将无线传感器网络复杂区域划分为多个凸拓扑结构的子区域；步骤(2)确定的所有凹节点中每个凹节点对应一条区域划分线段：对于凹节点T，其对应的区域划分线段的确定方法如下：确定T1节点和T2节点，其中T1∈ω，T2∈ω，T1节点与凹节点T的跳数距离及T2节点与凹节点T的跳数距离均等于K跳，且T1节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：高宝建，邢天璋，王兆强，陈晓江，房鼎益，周莹，聂卫科，刘晨，王薇，张远，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：