无线纳米传感器网络中一种基于脉冲通信的定位方法技术

本发明专利技术公开了无线纳米传感器网络中一种基于脉冲通信的定位方法，方法包括网络中节点类型确定、构建簇并选举出簇头、簇头节点之间通过flooding数据包计算角落节点之间的距离三个步骤。在均匀分布的无线纳米传感器网络中，节点能量极其有限的条件下，通过节点间数据包的传送，确定网络环境的边界之间的距离。本发明专利技术所述的无线纳米传感器网络中一种基于脉冲通信的定位方法通过脉冲传输过程中大小的变化计算网络中两跳的距离，通过节点成簇的过程实现能量的高效利用，可以适用于无线纳米传感器网络节点密度高、节点能量小、节点计算能力差的应用环境，是目前第一个针对无线纳米传感器网络的定位方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于无线纳米 传感器网络定位方法领域。
技术介绍
科技迅猛发展的同时，纳米技术也在不断进步，自从物理学家查德?费曼在1959 年所作《在底部还有很大空间》这一演讲并且获得诺贝尔奖之后，纳米技术得到了空前的关 注，也是自此，不断有纳米级的设备（1~几百纳米）被制造来应用到不同的领域，尤其是在 生物、工业、军事以及食品安全等方面。纳米技术改变了解决问题的传统思维方式。在纳米 级的范围中，新型的纳米材料和纳米粒子表现出在微观水平没有过的新的特点。纳米技术 最早的应用之一是在纳米传感器领域。一个纳米传感器可以利用纳米材料的特点探测到纳 米范围的事件，例如，一个极其微小的的纳米传感器可以检测到的化学化合物、病毒或者感 染剂浓度可以低至十亿分之一，这在生物、化学领域的应用前景是不可估量的。然而，单个 的纳米传感器即使可以检测到精确的数据，却也局限于它的应用环境和通信范围，因此，多 个纳米传感器之间的通信可以在复杂性和通信范围方面拓展单个纳米传感器的价值。一个 包含了多个纳米传感器的网络可以覆盖更大区域的通信并且可以执行其他的处理动作。 无线纳米传感器网络的设备组成有功能模块、纳米收发器、纳米天线等传感器设 备，由于纳米传感器设备中天线的尺寸也是纳米级大小，因此无线纳米传感器网络可能的 工作频率是在太赫兹频段（〇. 1~10THZ)。因为这样一个非常特殊的通信信道，例如，极其 短的通信距离（小于lm)、较大的干扰、路径衰落、有限的通信能力（计算能力、存储大小，能 量），这些特点使得适用于传统的无线传感器网络的各种算法和协议不再适用于无线纳米 传感器网络。 无线传感器网络与周围的物理现象紧密相关，感知到的信息需要和传感器节点的 位置信息结合起来才能为工作人员提供精准的数据信息，另外，无线传感器网络也可在监 控应用中用于跟踪特定目标，所使用的跟踪算法也需要传感器节点提供相应地位置信息， 这些需求在无线纳米传感器网络中同样也存在。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：在均匀分布的无线纳米传感器网络中，在节点能 量极其有限的条件下，通过节点间数据包的传送，确定网络环境的边界之间的距离。 为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的： ，包括以下步骤： 步骤一：网络中节点类型确定 将网络中的节点分为三种类型：角落节点、边界节点和中心节点； 所述角落节点为整个网络角落上的节点，周围邻居节点最少； 所述边界节点是网络与物理环境交界边缘的节点，其周围邻居节点数量介于角落 节点和边界节点； 所述中心节点是指网络中央的节点，其邻居节点最多； 步骤二：构建簇并选举出簇头 在传送数据包之前对网络中的节点构建簇并选举出每个簇中能量最高的作为簇 头；所述簇头分为三种类型，角落簇头节点，边界簇头节点，中心簇头节点；之后的数据由 簇头进行转发传输； 步骤三：簇头节点之间通过flooding数据包计算角落节点之间的距离 由被选举出的角落簇头节点开始进行flooding数据包的转发，flooding数据包 中包含六个数据域，分别是：节点的ID号、节点类型、接收节点类型、数据传输速率、累计距 离、错误检测码，最终得到累计的距离即为两个角落的角落节点之间的距离。 上述步骤中，节点之间通过脉冲信号进行通信。对于无线纳米传感器网络而言，其 工作的频段为太赫兹频段（〇. 1-lOTHz)，传统的信息编码调制的方法不具有可行性，而基于 脉冲的调制被广泛应用于通信频率非常高的系统之中，因此一种可行的信息通信方式是纳 米传感器通过定时发送脉冲来传递信息，用逻辑"〇"和逻辑"1"来保存和传递有用信息。又 因为亚皮秒脉冲（1皮秒=一亿万分之一秒，亚皮秒比皮秒更小）非常短，信息传递时占空 比非常小，可以避免信道中发生冲突。因此，算法使用亚皮秒长度的脉冲来进行网络中节点 的通信。 上述步骤中，在基于脉冲的通信方式之下，主要通过节点接收端分析所接收的脉 冲的大小，反向推导接收端与发送端之间的距离，以此确定任意两个纳米传感器节点之间 的距离，再通过每次距离的累加来计算两个边界节点之间的距离。发送器NT1在时间t1开 始传送脉冲信息，发送器NT2在时间t2开始传送脉冲信息，接受端NR在不用考虑信道冲 突的情况下可以接收到两个发送器传送的信息。因此多个纳米传感器设备可以同时使用一 个信道并且互相不会出现串扰，每发送的一次信号的持续时间非常短l〇〇fs)，信道冲 突几乎不可能发生。 上述步骤一中，确定节点类型的方法如下： 将网络中的节点分为角落节点B1、边界节点B2和中心节点B3,，假设在面积为A2 的环境中共有N个节点。 X。是节点在面积A2环境中的密度：A0 :=y X丨是节点在面积中的密度：了碑)r2 4 4入2是节点在面积^?肝'中的密度：馬二^私厂 由以上公示可以确定： Bl= {N; |IM^A1;i= {1, . . . ,N}} B2 = {队 | | 入'MA入 2,i= {1，? ? ?，N}} B3 =B\(B1UB2) 在判断节点类型时，通过泛洪方式传送数据包来检测节点的邻居节点个数，通过 邻居节点的个数来确认节点的类型。 上述的步骤二中，构建簇并选举出簇头的方法如下： B1型的节点生成并广播clustering-broadcast数据包，该数据包包含了一个数 据域剩余能量作为选择簇头的依据，其他B1型节点收到后，选择剩余能量最多的B1型节点 作为簇头CH，并通过向CH发送clustering-reply数据包来加入该簇，CH在接收到回复信 息后，开始广播通知信息notify数据包，通过数据域niti-ClusterCode来通知未成簇的 B2型节点开始成簇。 上述的步骤三中，计算角落节点之间的距离具体方法如下： 簇头节点之间通过传送flooding数据包、更新flooding数据包来计算端到端之 间相同类型的簇头节点之间的最少跳数，flooding数据包包含一个累加得到的距离值数据 域fl-DIS，其初始值为0,每次节点收到泛洪数据包时，选择收到脉冲信号中电压峰峰值最 大的值EP来计算与上一跳节点之间的距离r，并将f1-DIS值更新为f1-DIS=f1-DIS+r。 上述步骤二中，所述的构建簇并选举出簇头的方法，其clustering-broadcast数 据包、clustering-reply数据包、notify数据包具体结构如下： clustering-broadcast数据包： cb-TxID，表示生成数据包的节点的ID号； cb-NodeTypeofTx，表示发送数据包的节点类型，〃00〃表示B1，〃01〃表示B2， 〃10〃 表示B3 ; cb-DSR表示数据传送的符号率，即节点发送信号的频率，节点随机选择一个符号 率来防止不同的节点发送信号是产生冲突； cb-ResidualEnergy，表示节点的剩余能量，选择剩余能量最大的作为簇头节点； cb-EDC，表示错误检测码用来检测传输错误； 首先所有的B1型节点开始广播clustering-broadcast数据包，cb-NodeTypeof Tx="00"。如果B2或者B3类型的节点接受到clustering-broadcast数据包，直接丢弃本文档来自技高网...

【技术保护点】
无线纳米传感器网络中一种基于脉冲通信的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：网络中节点类型确定将网络中的节点分为三种类型：角落节点、边界节点和中心节点；所述角落节点为整个网络角落上的节点，周围邻居节点最少；所述边界节点是网络与物理环境交界边缘的节点，其周围邻居节点数量介于角落节点和边界节点；所述中心节点是指网络中央的节点，其邻居节点最多；步骤二：构建簇并选举出簇头在传送数据包之前对网络中的节点构建簇并选举出每个簇中能量最高的作为簇头；所述簇头分为三种类型，角落簇头节点，边界簇头节点，中心簇头节点；之后的数据由簇头进行转发传输；步骤三：簇头节点之间通过flooding数据包计算角落节点之间的距离由被选举出的角落簇头节点开始进行flooding数据包的转发，flooding数据包中包含六个数据域，分别是：节点的ID号、节点类型、接收节点类型、数据传输速率、累计距离、错误检测码，最终得到累计的距离即为两个角落的角落节点之间的距离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩光洁，周丽娜，刘立，江金芳，舒磊，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32