一种水声传感器网络节点自定位方法技术

本发明专利技术涉及一种水声传感器网络节点自定位方法，采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答。本发明专利技术仅在波束内节点才进行回复的方式在很大程度上避免了冲突。而这种仅在波束内的节点才进行回复，这样，就在很大程度上避免的冲突。全向波通过换能器而变成窄波束，信息传播大大增加，单跳即可实现原多跳下的通信距离。仅需一个锚节点，且仅对锚节点的设备要求高，而对于其他的节点的设备要求不高。隐藏性好，窄波束的条件让通信更加隐蔽。

【技术实现步骤摘要】
一种水声传感器网络节点自定位方法
本专利技术属于水下传感器网络
，涉及一种水声传感器网络节点自定位方法，适合于从单锚节点出发的水声多跳传感器网络自定位方案。
技术介绍
UASN全称为UnderwaterAcousticSensorNetwork，即水下声学传感器网络，其被广泛应用于民事活动，如海洋资源开发、环境探察等；和军事任务，如监视，反潜探测，反水雷任务等，具有重要意义和研究价值。而由于UASN作用的前提是它能知道自身的传感器节点位置，因此，水声传感器网络的自定位研究是重要研究课题。在地面无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)，定位一般是通过传感器间的信息交换(通过RF射频(RadioFrequency)通信)和GPS定位来实现，这在地面上比较容易实现。但是，GPS无线电信号在水中衰减非常迅速，导致在地面无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)适用的方法都不能直接应用于水下传感器网络。同时，人们发现声信号在水中有传播距离远，衰减小等优点，因此，声被广泛运用在水下的信息交互里。同时，水下声定位同样存在许多问题：对所有节点设备要求高，隐蔽性低，易冲突，定位算法限于单跳等等。近些年，UASN的研究开始逐渐加多与加深，多种水下传感器网络的定位方案相继被提出。这里简单介绍三种典型算法：AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)定位算法：AUV的定位方法比较多样，但是基本原理都是利用AUV的运动(知道AUV的具体地点)，并再利用AUV与待测节点的信息相互交流而得出待测节点与AUV的相对位置，进而算出待测节点的位置。GPS(GlobalPositioningSystem)定位算法：因为水中电磁信号衰弱极快，GPS的定位是并不能直接运用在水下的。这个时候就需要将GPS系统与水下声学系统集成起来，形成了水下GPS系统。该定位算法工作的基本原理是，卫星把浮标坐标信息发射给GPS信号，GPS浮标接收到该信号之后，用水声传送给水下锚，水下锚运用一些水中运算的方法，得出自己位置。或者水下锚配备有GPS信号接收器，同时给它增加可以上浮下沉的功能，在需要定位的时候，进行上浮并接收信号进行定位。DV-hop定位算法：其基本思想是采用泛波的形式发送信号，然后求出每跳平均距离与跳数，之后用这两个值的乘积来算出待测节点与锚节点之间的距离，再使用定位估计算法求出节点坐标信息。可以看出以上的各种定位技术，各自有各自的特点，这是因为水下环境多样，应用条件多样。往往一种方法不会适用于所有条件。同时，以上算法各有优劣。例如AUV算法因为需要水下航行器，进而隐蔽性较低。以及使用AUV的情况下海洋路径不易保持。GPS算法需要使用较陆地GPS定位接收器更为复杂与昂贵的设备进行信号接收与处理。而DV-hop算法只有在网络拓扑较为规则的情况下具有良好的定位结果。还有基础的TOA、DOA等算法，需要较多的锚节点等等。从上，水下定位算法还需要不断的研究与改进。目前定位的方法一般需要多个锚节点，而每个锚节点获得的信息较少，然后对多个锚节点的信息进行综合计算得出待测节点的位置。在这种情况下，就需要多个锚节点的设备要求都比较高，或者对待测节点的设备要求高，同时，部分现有算法通信隐蔽性差，节点分布规则要求高等等都成为了亟需解决的问题。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种水声传感器网络节点自定位方法，将测距与测向相结合从单锚节点出发的分布式定位算法。同时设计了新颖且有效的避免冲突的方法将网络拓扑为多跳。总的来说，此算法是一种单锚节点条件下的分布式、低开销、远距离通信的适用于水声网络的自定位方法。技术方案一种水声传感器网络节点自定位方法，其特征在于：采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答；步骤如下：步骤1：锚节点首先使用GPS获取自身位置信息，标记为(X1，Y1)；然后在时刻t0开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°；所发射的窄波束中包含有锚节点坐标与当前发射角度；每次发射窄波束后，等待接收传感器节点完成继续下次发射；步骤2：待测节点通过TOA的方法来计算自己与锚节点的距离R＝C*(Tk-Ti)其中：R待测节点与锚节点的距离，C为水声速度，Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，Tk是当前待测节点接收到信息的时刻；待测节点计算自己的位置坐标：(X1+R×sinβ，Y1+R×cosβ)；β为待测节点通过接收到的信息得到角度信息，或通过之前设定的时间与角度的关系从接收信息的时刻来推出的角度信息；之后待测节点发射全向波信息；步骤3：锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标，开始在第二个角度区间发射窄波束，重复步骤2；当锚节点的波束旋转了一周之后，锚节点得到所有待测节点的坐标，所有的待测节点得到自身的坐标，且所有的待测节点均得到相邻节点ID与坐标。所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答，具体描述如下：步骤一：判断在波束内有可以一跳抵达锚节点的普通节点，若有，则由给中继节点根据自己与锚节点的距离是否可一跳可达，若可达则对传递过来的信息进行记录并与自己的待发送信息一起打包；距离最远处的节点会首先发射。假定单跳的通信距离为γ，那么锚节点的窄波束假定因为换能器而能达到两跳的距离。那么延迟时间是与距离成反比，且与水声传播速度相关，即延迟时间为：加以C上修正，使其较近的点在接收到了信息后再发送，即：其中，为修正系数。C为水声传播速度，γ是单跳的通信距离，R是待测节点与锚节点之间的距离。步骤二：若在波束内没有一跳可抵达锚节点的普通节点，则进行以下选择：1.通过已扫过的节点回传信息，通过设定延迟时间在波束发射过一圈后再发射回馈信息，即在原本的发射信息的时刻上加T，若接收到有标记从单跳无法到达节点发来的信号，则在时间到后发射，否则不发送；所述T为旋转一周的时间；2.通过未扫过的节点回传信息，未扫过的节点可以暂时记录下所接收的信息并打包，当波束扫到它的时候才进行发射。有益效果本专利技术提出的一种水声传感器网络节点自定位方法，有以下优势：1.由于节点数未知，故而无法采用TDMA的方法，而仅利用aloha的应答方式冲突产生概率很高，本专利技术仅在波束内节点才进行回复的方式在很大程度上避免了冲突。而这种仅在波束内的节点才进行回复，这样，就在很大程度上避免的冲突。2.全向波通过换能器而变成窄波束，信息传播大大增加，单跳即可实现原多跳下的通信距离。3.满足了同时可以测距测向的要求。4.仅需一个锚节点，且仅对锚节点的设备要求高，而对于其他的节点的设备要求不高。5.集网络的自定位，初始化，拓扑发现，多跳，冲突避免于一体，功能强大。6.隐藏性好，窄波束的条件让通信更加隐蔽。附图说明图1是本专利技术原理图(初始位置)图2是本专利技术原理图(移动位置)图3是本专利技术的窄波束发射信号信号结构图图4是本专利技术待测节点发射信号信号结构图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声传感器网络节点自定位方法，其特征在于：采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答；步骤如下：步骤1：锚节点首先使用GPS获取自身位置信息，标记为(X1，Y1)；然后在时刻t0开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°；所发射的窄波束中包含有锚节点坐标与当前发射角度；每次发射窄波束后，等待接收传感器节点完成继续下次发射；步骤2：待测节点通过TOA的方法来计算自己与锚节点的距离R＝C*(Tk‑Ti)其中：R待测节点与锚节点的距离，C为水声速度，Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，Tk是当前待测节点接收到信息的时刻；待测节点计算自己的位置坐标：(X1+R×sinβ，Y1+R×cosβ)；β为待测节点通过接收到的信息得到角度信息，或通过之前设定的时间与角度的关系从接收信息的时刻来推出的角度信息；之后待测节点发射全向波信息；步骤3：锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标，开始在第二个角度区间发射窄波束，重复步骤2；当锚节点的波束旋转了一周之后，锚节点得到所有待测节点的坐标，所有的待测节点得到自身的坐标，且所有的待测节点均得到相邻节点ID与坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种水声传感器网络节点自定位方法，其特征在于：采用单锚节点发射固定能量的窄波束，采用波束切换的方式进行窄波束发射来进行自定位，其中：所述基于波束切换的自定位，通过锚节点与普通节点的信息交互完成所述普通节点的信息回传以多跳方式进行，同一区间采用带延迟的aloha进行应答；步骤如下：步骤1：锚节点首先使用GPS获取自身位置信息，标记为(X1，Y1)；然后在时刻t0开始发射波束，锚节点各个角度区间按逆时针的顺序无缝隙地发射窄波束，直至波束覆盖360°；所发射的窄波束中包含有锚节点坐标与当前发射角度；每次发射窄波束后，等待接收传感器节点完成继续下次发射；步骤2：待测节点通过TOA的方法来计算自己与锚节点的距离R＝C*(Tk-Ti)其中：R待测节点与锚节点的距离，C为水声速度，Ti为第i个角度区间发射波束的时刻，Tk是当前待测节点接收到信息的时刻；待测节点计算自己的位置坐标：(X1+R×sinβ，Y1+R×cosβ)；β为待测节点通过接收到的信息得到角度信息，或通过之前设定的时间与角度的关系从接收信息的时刻来推出的角度信息；之后待测节点发射全向波信息；步骤3：锚节点收到了回馈信息，记录下定位成功的待测节点的id与坐标，开始在第二个角度区间发射窄波束，重复步骤2；当锚节点的波束旋转了一周之后，锚节点得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：何轲，张钦政，赵瑞琴，姚海洋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61