一种无线传感器网络中的节点间协作定位方法技术

本发明专利技术提出了一种无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)中的节点间协作定位方法。首先，在目标区域内部署和标定若干个位置已知的WSN节点(锚节点)和若干个位置未知的WSN节点(待定位节点)；其次，根据待定位节点的剩余能量和到锚节点的距离对全部WSN节点进行分簇；再次，在单个簇中基于接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)对各节点间距离进行估计，并利用多维尺度变换得到WSN节点的相对坐标；最后，基于锚节点的全局坐标和相对坐标推导出转换关系，并利用转换关系获得待定位节点的全局坐标。本发明专利技术专利利用目标区域内节点的剩余能量和其与锚节点间的几何关系提出了一种WSN节点间的协作定位方法，在降低系统能量损耗和计算开销的同时保证了定位精度。位精度。位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络中的节点间协作定位方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络
，具体涉及一种协作定位方法。

技术介绍

[0002]随着物联网的逐步发展，人们在生活中对位置服务的需求越来越大，如物流管理、路径寻找、广告投放和智能家居等。而物联网与传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的结合，将有望实现万物互联、万物互通。目前较为流行的WSN定位系统有蓝牙定位系统、蜂窝定位系统、射频识别定位系统和无线局域网(Wireless Location Area Network，WLAN)定位系统。现有的WSN定位技术可以满足部分场景下用户对定位的需求，但随着WSN节点组网规模和组网密度的增大，WSN定位对WSN节点的剩余能量和计算能力都产生了很大的挑战。针对此问题，本专利技术专利利用目标区域内节点的剩余能量和其与位置已知节点间的几何关系对WSN节点进行了分簇，基于多维尺度变换(Multidimensional Scaling，MDS)提出了一种WSN中的节点间协作定位方法，其在降低系统能量损耗和计算开销的同时保证了定位精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种无线传感器网络中的节点间协作定位方法，它通过计算位置未知节点关于各个位置已知节点的归属度对其进行分簇，并在簇内基于节点间距离和位置已知节点位置实现位置未知节点全局坐标的获取，该方法在降低系统能量损耗和计算开销的同时保证了定位精度。
[0004]本专利技术所述的一种无线传感器网络中的节点间协作定位方法，包括以下步骤：
[0005]步骤一、在目标区域(不妨令其为边长为L1的正方形区域)内随机放置M(M≥1，M为整数)个位置已知的WSN节点(即锚节点)和N(N≥1，N为整数)个位置未知的WSN节点(即待定位节点)；
[0006]步骤二、记录待定位节点电池中的剩余能量E
i
(1≤i≤N，i为整数)；
[0007]步骤三、定义每个锚节点为一个临时簇头，由临时簇头发出广播信号，记录第i个待定位节点处来自第j(1≤j≤M，j为整数)个临时簇头的接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)为RSS
ji
；
[0008]步骤四、利用对数传播模型公式RSS
ji
＝RSS0‑
10βlog
10
(d
ji
d0)，估计第i个待定位节点与第j个临时簇头之间的距离d
ji
，即其中，RSS0为参考距离d0处的RSS，β为路径衰减指数(在本专利技术中，令β＝2)；
[0009]步骤五、计算第i个待定位节点属于第j簇的归属度P
ji
，即其中，为所有待定位节点的剩余能量均值，为待定位节点i与所有临时
簇头之间的估计距离均值；
[0010]步骤六、根据归属度对待定位节点进行分簇，将待定位节点归入归属度最高的簇；
[0011]步骤七、设置阈值d
c
，当两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，将这些临时簇头及其对应的簇内待定位节点归为同一簇，并选择具有最小簇内均方距离的临时簇头为该簇的簇头；反之，即不存在两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，簇结构不改变，选择此时的临时簇头为各簇的簇头。具体包括以下步骤：
[0012]步骤七(一)、将节点传输数据长度为l的报文时消耗的能量表示为其中，E
T
为发射单位报文的损耗能量，E
R
为接收单位报文的损耗能量，ε
fs
为自由空间损耗系数，ε
mp
为多径损耗系数，d
t
为多径衰落与自由空间衰落之间的切换阈值(在本专利技术中，令)，d为传输距离；
[0013]步骤七(二)、设置阈值d
c
，当存在P(P≥2，P为整数)个临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，将这些临时簇头及其对应的P个簇内共Q(Q≥1，Q为整数)个待定位节点归入同一簇，并计算这些临时簇头b1(1≤b1≤P)与各待定位节点a1(1≤a1≤Q)之间的欧氏距离d
ba
；反之，即不存在两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，簇结构不改变，选择此时的临时簇头为各簇的簇头；
[0014]步骤七(三)、当存在两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，由于报文长度l一定，E
T
和E
R
为常数且d≤L1，若d
t
＜L1，则有d＞d
t
，从而E
l
＝l(E
T
+E
R
)+l
×
ε
mp
×
d4，可得E
l
正比于d4，并由此计算簇内均方距离为若d
t
≥L1，则有d＜d
t
，从而E
l
＝l(E
T
+E
R
)+l
×
ε
fs
×
d2，可得E
l
正比于d2，并由此计算簇内均方距离为基于此，选择具有最小簇内均方距离的临时簇头为该簇的簇头；
[0015]步骤八、利用对数传播模型公式，计算包含m
c
(m
c
≥1，m
c
为整数)个节点的单个簇内不同节点之间的欧式距离e
ij
，得到欧氏距离矩阵E，其中，E中第i行、第j列元素为e
ij
；
[0016]步骤九、基于MDS计算单个簇内各节点的相对坐标A，其中，锚节点的相对坐标为P
A
，待定位节点的相对坐标为G
A
。具体包括以下步骤：
[0017]步骤九(一)、计算和
[0018]步骤九(二)、构造内积矩阵M，其第i行、第j列元素为m
ij
，其中，
[0019]步骤九(三)、对M进行特征值分解，令最大的两个特征值为u和v，且其对应的特征向量分别为p和q，构造对角矩阵特征向量矩阵V＝[p q]；
[0020]步骤九(四)、计算降维后的矩阵A＝{(VΛ)
1/2
}
T
，A中每一列表示一个节点的相对
位置坐标，其中，锚节点的相对坐标为P
A
，待定位节点的相对坐标为G
A
；
[0021]步骤十、根据锚节点的相对坐标P
A
和全局坐标P
B
，计算锚节点的相对坐标与全局坐标之间的转换关系R和T。具体包括以下步骤：
[0022]步骤十(一)、令锚节点的相对坐标和全局坐标分别为和计算其对于的质心和其中，1≤r≤b；
[0023]步骤十(二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络中的节点间协作定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、在目标区域(不妨令其为边长为L1的正方形区域)内随机放置M(M≥1，M为整数)个位置已知的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)节点(即锚节点)和N(N≥1，N为整数)个位置未知的WSN节点(即待定位节点)；步骤二、记录待定位节点电池中的剩余能量E
i
(1≤i≤N，i为整数)；步骤三、定义每个锚节点为一个临时簇头，由临时簇头发出广播信号，记录第i个待定位节点处来自第j(1≤j≤M，j为整数)个临时簇头的接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)为RSS
ji
；步骤四、利用对数传播模型公式RSS
ji
＝RSS0‑
10βlog
10
(d
ji
/d0)，估计第i个待定位节点与第j个临时簇头之间的距离d
ji
，即其中，RSS0为参考距离d0处的RSS，β为路径衰减指数(在本发明中，令β＝2)；步骤五、计算第i个待定位节点属于第j簇的归属度P
ji
，即其中，为所有待定位节点的剩余能量均值，为待定位节点i与所有临时簇头之间的估计距离均值；步骤六、根据归属度对待定位节点进行分簇，将待定位节点归入归属度最高的簇；步骤七、设置阈值d
c
，当两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，将这些临时簇头及其对应的簇内待定位节点归为同一簇，并选择具有最小簇内均方距离的临时簇头为该簇的簇头；反之，即不存在两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，簇结构不改变，选择此时的临时簇头为各簇的簇头；步骤八、利用对数传播模型公式，计算包含m
c
(m
c
≥1，m
c
为整数)个节点的单个簇内不同节点之间的欧式距离e
ij
，得到欧氏距离矩阵E，其中，E中第i行、第j列元素为e
ij
；步骤九、基于多维尺度变换(Multidimensional Scaling，MDS)计算单个簇内各节点的相对坐标A，其中，锚节点的相对坐标为P
A
，待定位节点的相对坐标为G
A
；步骤十、根据锚节点的相对坐标P
A
和全局坐标P
B
，计算锚节点的相对坐标与全局坐标之间的转换关系R和T；步骤十一、根据R和T，利用G
A
计算待定位节点的全局坐标G
B
，即G
B
＝RG
A
+T。2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络中的节点间协作定位方法，其特征在于所述步骤七包括以下步骤：步骤七、设置阈值d
c
，当两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，将这些临时簇头及其对应的簇内待定位节点归入同一簇，并选择具有最小簇内均方距离的临时簇头为该簇的簇头；反之，即不存在两个及以上临时簇头之间的相互距离均小于d
c
时，簇结构不改变，选择此时的临时簇头为各簇的簇头。具体包括以下步骤：步骤七(一)、将节点传输数据长度为l的报文时消耗的能量表示为其中，E
T
为发射单位报文的损耗能量，E
R
为接收单位报
文的损耗能量，ε
f...

【专利技术属性】
技术研发人员：周牧，王倩，李耀华，蒲巧林，蓝馨，陈有坤，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：