一種協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，利用節(jié)點間距離的相互約束關系，以代數(shù)計算方法精確定位未知節(jié)點坐標。對于二維或三維平面上的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，包含有已知位置的信標節(jié)點和未知位置的未知節(jié)點，先采用已知位置的信標節(jié)點定位未知節(jié)點坐標；將被定位的未知節(jié)點作為偽信標節(jié)點定位其余未知節(jié)點；采用最大數(shù)量的鄰接信標節(jié)點和偽信標節(jié)點改進第二步的初始定位結(jié)果；協(xié)作式迭代優(yōu)化第三步定位結(jié)果，得到最終的所有未知節(jié)點的坐標。該定位計算方法將復雜的定位計算過程進行分解，將計算過程分配于各個節(jié)點上，實現(xiàn)分布式定位計算。仿真結(jié)果表明，該定位計算方法所得的定位結(jié)果收斂，穩(wěn)定可靠，定位精度高。
【專利說明】一種協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡定位【技術領域】，涉及基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡是通過將大量具有傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊的微小智能節(jié)點密集地散布在感知區(qū)域，節(jié)點間以自組織方式構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，從而為遠程用戶提供詳盡而準確的信息。采用無線傳感器網(wǎng)絡進行信息收集和處理，這些數(shù)據(jù)必須和位置信息相結(jié)合才有意義，甚至有時需要傳感器節(jié)點發(fā)回單純的位置信息。
[0003]GPS系統(tǒng)利用精確的同步衛(wèi)星時鐘提供實時測距以對用戶節(jié)點進行定位，具有定位精度高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點。但是GPS定位僅僅適應于無遮擋的室外環(huán)境，其用戶設備通常能耗高、體積大、成本高，需要固定的基礎硬件設施等，這使得它不適用于大規(guī)模環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡定位。這種方法的局限性激發(fā)了一種低成本的無線傳感器網(wǎng)絡定位方法，即利用已知位置坐標的信標節(jié)點(其位置坐標可通過GPS或人工測量方式獲取)去推算其余未知節(jié)點位置坐標。在這種方法中，把已知位置坐標的節(jié)點稱為信標節(jié)點，采用信標節(jié)點去推算其余未知節(jié)點位置坐標時，需要未知節(jié)點與信標節(jié)點間的某些參數(shù)值，比如，距離或者角度信息。
[0004]在上述定位方法中，如何在計算能力、存儲能力、能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點上進行定位計算，達到低成本、高精度的定位目標，一直是無線傳感器網(wǎng)絡定位領域重點解決的問題。在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡部署中，信標節(jié)點的數(shù)量有有限，DV-Hop算法的核心思想是估計未知節(jié)點與非相鄰的信標節(jié)點間的距離，利用平均每跳距離與最短跳數(shù)的乘積表示節(jié)點間的近似距離。APIT定位方法是通過測試未知節(jié)點是否位于三個信標節(jié)點所組成的三角形內(nèi)，并使用不同信標節(jié)點組合所形成的三角形重復測試，直到所有三角形組合測試完畢，將所有包含未知節(jié)點所有三角形的交集質(zhì)心作為待定位未知節(jié)點的坐標。質(zhì)心定位算法是將與未知節(jié)點相鄰的所有信標節(jié)點的坐標質(zhì)心來估計節(jié)點位置。DV-Hop算法、質(zhì)心算法、APIT算法等輕量級的定位算法，計算過程簡單，易于實現(xiàn)分布式定位計算，但定位精度不夠高?；谙闰灲y(tǒng)計信息的最大可能性(ML)估計方法能達到定位結(jié)果的CRLB下界，定位精度較高，但ML估計方法為非線性問題，其精確的求解過程只能通過數(shù)值方法求解，計算過程也較復雜，并且容易產(chǎn)生奇異解。為提高定位精度，也有研究將定位模型歸結(jié)為數(shù)學優(yōu)化問題，如將定位問題放松為半正定規(guī)劃(SDP)優(yōu)化問題，SDP算法能實現(xiàn)全局優(yōu)化，定位精度也較高，但計算復雜度較高，難以實現(xiàn)分布式定位計算，并且對于網(wǎng)絡局部測距信息的變化不敏感，并要求收集網(wǎng)絡全部信息，因此通信代價很高、可擴展性弱。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于針對資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位實現(xiàn)問題，提出一種新的定位代數(shù)計算方法。該代數(shù)計算方法以節(jié)點間的測距模型為研究對象，針對全局距離約束下的定位問題，提出精確的定位代數(shù)計算方法。該方法直接以代數(shù)解形式表示了定位結(jié)果，減少了計算復雜度。
[0006]本發(fā)明同時利用節(jié)點間距離的相互約束關系，在已有初始定位結(jié)果基礎上，通過節(jié)點間的不斷協(xié)作式迭代優(yōu)化，達到單個節(jié)點上定位結(jié)果的最優(yōu)解。同時將復雜的定位計算過程進行分解，并將分解后的計算過程分配于各個節(jié)點上，實現(xiàn)分布式定位計算，尤其適合于規(guī)模化無線傳感器網(wǎng)絡的定位過程。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，具體為:直接采用信標節(jié)點定位未知節(jié)點坐標；將被定位的未知節(jié)點作為偽信標節(jié)點定位其余未知節(jié)點；采用盡最大數(shù)量的鄰接信標節(jié)點和偽信標節(jié)點改進第二步的定位結(jié)果；節(jié)點間協(xié)作式迭代優(yōu)化第三步的定位結(jié)果。
[0008]本發(fā)明的技術方案為:
[0009]步驟1:直接采用已知位置的信標節(jié)點定位未知節(jié)點坐標；
[0010]步驟2:將被定位的未知節(jié)點作為偽信標節(jié)點定位其余未被定位的未知節(jié)點；
[0011]步驟3:采用最大數(shù)量的鄰接信標節(jié)點和偽信標節(jié)點改進步驟2的定位結(jié)果；
[0012]步驟4:節(jié)點間協(xié)作式迭代優(yōu)化步驟3的定位結(jié)果。
[0013]本發(fā)明的技術特點還在于步驟I采用信標節(jié)點或步驟2偽信標節(jié)點定位未知節(jié)點坐標值時，以精確的代數(shù)方法表示未知節(jié)點坐標，達到定位結(jié)果的無偏估計值。步驟4節(jié)點間的不斷協(xié)作式迭代優(yōu)化直至定位結(jié)果保持穩(wěn)定，達到單個節(jié)點定位結(jié)果的最優(yōu)值。
[0014]步驟I的計算過程為:
[0015]坐標平面上分布著N個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，假設序號為1，2，…，M的M個節(jié)點為坐標位置已知的信標節(jié)點，其余序號為Μ+1，Μ+2，…，N的N-M個節(jié)點為待定位的未知節(jié)點，為確定未知節(jié)點位置坐標，未知節(jié)點i與其鄰接的節(jié)點j間的實際測量距離du與真實節(jié)點
間距離滿足 < =J +Adj ? = Μ + 1,Μ + 2,...,Ν , ; = 1,2,...,#，并且1>」，厶扎為節(jié)點間的測距誤差。假設節(jié)點1、j的真實坐標位置分別為X:、X；；，則有關系式
[0016]dl = d + Adij = X0 — X0(I)
[0017]式(I)中下角標2代表2-范數(shù)，假設節(jié)點間的測距誤差Adij各自獨立，并且Adij
服從均值為0，方差為的高斯分布，記為;如果節(jié)點間距離可直接測
量，稱節(jié)點間是鄰接的，若未知節(jié)點至少有三個以上的鄰接信標節(jié)點，該未知節(jié)點可以被直接定位，假設單個未知節(jié)點i坐標列向量為Xi= [Xi yJT，與該未知節(jié)點i鄰接的m個信標
節(jié)點的真實位置坐標為列向量<y]i，J = 1，...，πι，將式(I)轉(zhuǎn)化為以下關系式
[0018]^(Xj - X0.)2 + (j.- °)2 = dv + Adij(2)
[0019]式(2)中測距誤差Adij服從均值為0，方差為δ?的高斯分布，即
【權利要求】
1.基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，其特征在于按照以下步驟完成: 步驟1:直接采用已知位置的信標節(jié)點定位未知節(jié)點坐標； 步驟2:將被定位的未知節(jié)點作為偽信標節(jié)點定位其余未被定位的未知節(jié)點； 步驟3:采用最大數(shù)量的鄰接信標節(jié)點和偽信標節(jié)點改進步驟2的定位結(jié)果； 步驟4:節(jié)點間協(xié)作式迭代優(yōu)化步驟3的定位結(jié)果。
2.按照權利要求1所述基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，其特征在于:所述步驟I采用信標節(jié)點或步驟2偽信標節(jié)點定位未知節(jié)點坐標值時，以精確的代數(shù)方法表示未知節(jié)點坐標，達到定位結(jié)果的無偏估計值。
3.按照權利要求1所述基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，其特征在于:所述步驟4節(jié)點間的不斷協(xié)作式迭代優(yōu)化直至定位結(jié)果保持穩(wěn)定，達到單個節(jié)點定位結(jié)果的最優(yōu)值。
4.按照權利要求1所述基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，其特征在于:所述步驟I的計算過程為: 坐標平面上分布著N個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，假設序號為1，2，…，M的M個節(jié)點為坐標位置已知的信標節(jié)點，其余序號為M+l，M+2,…，N的N-M個節(jié)點為待定位的未知節(jié)點，為確定未知節(jié)點位置坐標，未知節(jié)點i與其鄰接的節(jié)點j間的實際測量距離du與真實節(jié)點間距離D0IJ 滿足
5.按照權利要求1所述基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，其特征在于:所述步驟2的計算過程為: 若與未知節(jié)點直接鄰接的信標節(jié)點數(shù)量不夠三個，但與未知節(jié)點鄰接的信標節(jié)點和偽信標節(jié)點總數(shù)達到三個以上，則該未知節(jié)點可也以被間接定位出來，將被定位的未知節(jié)點作為偽信標節(jié)點時，偽信標節(jié)點的位置坐標是存在誤差的，假設偽信標節(jié)點的真實位置坐標為
6.按照權利要求1所述基于協(xié)作式迭代優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡定位計算方法，其特征在于:所述步驟3的計算過程為: 當未知節(jié)點坐標位置被確定后，未知節(jié)點也可以作為偽信標節(jié)點，以重新優(yōu)化原有位置坐標，未知節(jié)點i的初步位置坐標估計值為 <，假設采用最大數(shù)量的鄰接信標節(jié)點和偽信標節(jié)點改進后位置坐標的向量增量為
【文檔編號】G01S5/00GK103826298SQ201410077848
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權日:2014年3月5日
【發(fā)明者】吳曉平, 戴丹 申請人:浙江農(nóng)林大學