一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV-Hop定位方法技术方案

本发明专利技术涉及一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV

【技术实现步骤摘要】
一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV
‑
Hop定位方法


[0001]本专利技术涉及一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV
‑
Hop定位方法，属于无线传感器网络节点定位领域。

技术介绍

[0002]无线传感器网络(WSNs)是由许多具有感知、通信功能的传感器节点部署在某个区域中之后组成的感知网络，随着科学技术的发展和人民生活的日益提高，传感器的身影已经随处可见。比如，畜牧业中羊群的检测与跟踪，森林火灾的检测，甚至战争中敌军的行动检测等等。传感器网络感知的信息很重要，可是往往更多时候，人们却更离不开信息的发生位置，为此，国内外的一批学者对其定位算法进行了相当多的研究，其中无需测距的DV
‑
Hop定位算法由于其造价低廉以及适用性高而受到广泛应用，但是由于传统的DV
‑
Hop定位算法其在最小跳数、平均跳距以及最小二乘法计算方面的误差，导致其在定位精度上并不能满足人们所要求的情况，为此提出了一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV
‑
Hop定位方法，由于实际部署的地点往往是三维空间而少有二维平面，于是本专利技术算法主要集中于研究实际情况下的传感器网络三维定位问题。
[0003]本专利技术的技术来源于云南省基础研究计划重点项目(202001AS070064)；云南省技术创新人才项目(2019HB113)；云南省“万人计划”产业技术领军人才项目(云发改人事[2019]1096号)资助。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV
‑
Hop定位方法，用于对传感器节点定位精度进行提高并将适用场景拓展为三维空间定位，从而解决上述问题。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV
‑
Hop定位方法，首先对DV
‑
Hop定位方法中未知节点与锚节点间距离估计值以及未知节点定位方程进行改进，再对最小跳数采用节点的二通信半径策略，然后对锚节点平均跳距采用平方代价函数计算方法，随后对其平均跳距进行加权优化作为未知节点修正平均跳距，最后对未知节点方程采用无约束优化的思想转化为加权误差最小化进行求解处理。
[0006]具体步骤为：
[0007]Step1：在边长为Lm
×
Wm
×
Hm的三维空间中随机投放若干个无线传感器网络节点，其中包含有位置未知的未知节点和位置已知的锚节点，L、W、H分别代表该三维空间的长、宽、高。
[0008]Step2：传统三维DV
‑
Hop定位算法由于其只设置了一个通信半径而导致对跳数值的计算十分不准确，为此提出在开始组网时，采用二通信半径策略对最小跳数值进行改进。锚节点采用二通信半径的洪泛法对数据包进行传播，获得最小跳数值hop，然后锚节点周边的其它节点根据最小hop原则对数据包进行选择性接收。
[0009]其具体步骤为：
[0010]锚节点以两个通信半径R、对数据包进行洪泛传播，其中数据包的格式为{ID,x,y,z,hop}，ID为该锚节点编号，x,y,z为该锚节点真实三维坐标，初始最小跳数值hop设置为0。
[0011]锚节点周边的其它节点对其数据包进行接收并保存在自身路由表中，其中，距该锚节点距离处于的节点的最小跳数值hop记录为距该锚节点距离处于的节点的最小跳数值hop记录为1。
[0012]这些节点在接收到该数据包后，采取同样的方式对数据包进行转发，每一次转发，hop值进行累加，如此以往，若节点已经接收过该ID编号的数据包，则对比自身路由表中该ID编号的数据包的最小跳数值hop与待接收的该ID编号的数据包的最小跳数值hop的大小。
[0013]若自身路由表中该ID编号的数据包的最小跳数值hop小于待接收的该ID编号的数据包的最小跳数值hop，则抛弃待接收的该ID编号的数据包。
[0014]若自身路由表中该ID编号的数据包的最小跳数值hop大于待接收的该ID编号的数据包的最小跳数值hop，则使用待接收的该ID编号的数据包替换自身路由表中该ID编号的数据包。
[0015]如此以往，各节点就均获得了对于各锚节点而言的最小跳数值hop，以此便使用了二通信半径策略对最小跳数值hop进行了修正。
[0016]Step3：传统三维DV
‑
Hop算法对跳距计算采用的是无偏估计的代价函数方法，但这种代价函数误差较大，因此本专利技术利用Step2中修正的最小跳数值hop与平方代价函数对锚节点平均跳距值进行修正，修正方程为：
[0017][0018]式中，hop
ij
为锚节点i与锚节点j于Step2中修正之后的最小跳数值，HopSize
i
为锚节点i的修正的平均跳距值，d
i,j
为锚节点i与锚节点j之间的真实距离。
[0019]然后求解该方程得锚节点i的修正的平均跳距值HopSize
i
为：
[0020][0021]Step4：根据Step3得到的锚节点的修正的平均跳距值HopSize
i
使用加权优化策略确定未知节点p的平均跳距值，使用W
i
来表示锚节点i的修正的平均跳距值对于未知节点p的权重比例：
[0022][0023]式中，锚节点i,j,k是与未知节点p相距最近的三个锚节点，hop
pi
,hop
pj
,hop
pk
分别为未知节点与锚节点i,j,k之间经过Step2修正后得出的最小跳数值。
[0024]未知节点
p
的平均跳距值为：
[0025][0026]Step5：根据Step2中得到的未知节点与各锚节点之间修正的最小跳数值与Step4中的未知节点p的平均跳距值相乘，得到未知节点p与锚节点j之间的估计距离值d
p,j
：
[0027]d
p,j
＝HopSize
p
×
hop
pj
[0028]式中，HopSize
p
为未知节点p于Step4中得到的平均跳距值，hop
pj
为未知节点p与锚节点j于Step2得到的修正的最小跳数值。
[0029]根据未知节点
p
与所有锚节点之间的估计距离列出极大似然方程，确定出未知节点
p
的定位方程为：
[0030][0031]式中，(x
p
,y
p
,z
p
)为未知节点p的三维估计坐标，为未知节点p与各锚节点之间的估计距离值，m为锚节点个数，(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，...，(x
m
,y
m
,z
m
)为各锚节点的真实三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种信息物理系统的改进无约束优化三维DV
‑
Hop定位方法，其特征在于：Step1：在边长为Lm
×
Wm
×
Hm的三维空间中随机投放若干个无线传感器网络节点，其中包含有位置未知的未知节点和位置已知的锚节点，L、W、H分别代表该三维空间的长、宽、高；Step2：锚节点采用二通信半径的洪泛法对数据包进行传播，获得最小跳数值hop，然后锚节点周边的其它节点根据最小hop原则对数据包进行选择性接收；Step3：利用Step2中最小跳数值hop与平方代价函数对锚节点跳距值进行修正，修正方程为：式中，hop
ij
为锚节点i与锚节点j于Step2中修正之后的最小跳数值，HopSize
i
为锚节点i的修正的平均跳距值，d
i,j
为锚节点i与锚节点j之间的真实距离；求解该方程得锚节点i的修正的平均跳距值HopSize
i
为：Step4：根据Step3得到的锚节点的修正的平均跳距值HopSize
i
使用加权优化策略确定未知节点p的平均跳距值，使用W
i
来表示锚节点i的修正的平均跳距值对于未知节点p的权重比例：式中，锚节点i,j,k是与未知节点p相距最近的三个锚节点，hop
pi
,hop
pj
,hop
pk
分别为未知节点与锚节点i,j,k之间经过Step2修正后得出的最小跳数值；未知节点p的平均跳距值为：Step5：根据Step2中得到的未知节点与各锚节点之间修正的最小跳数值与Step4中的未知节点p的平均跳距值相乘，得到未知节点p与锚节点j之间的估计距离值d
p,j
：d
p,j
＝HopSize
p
×
hop
pj
式中，HopSize
p
为未知节点p于Step4中得到的平均跳距值，hop
pj
为未知节点p与锚节点j于Step2得到的修正的最小跳数值；根据未知节点p与所有锚节点之间的估计距离列出极大似然方程，确定出未知节点p的定位方程为：
式中，(x
p
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶，李煜，李英娜，赵振刚，张大骋，冯勇，万小容，张家洪，
申请(专利权)人：云南枭润科技服务有限公司，
类型：发明
国别省市：