專利名稱：：一種移動無線傳感器網絡定位方法
技術領域：
：本發明涉及無線傳感器網絡技術，具體涉及一種移動無線傳感器網絡定位方法。
背景技術：
：無線傳感器網絡(WirelessSensorNetworks，簡稱“WSN”)是由部署在監測區域內大量廉價的傳感器節點組成，通過無線通信形成多跳的自組織的網絡系統，用于感知和采集網絡覆蓋區域內監測對象和事件的信息，并傳給監控中心。無線傳感器網絡可以大規模部署在指定的惡劣環境或無人區域，根據環境的變化自適應的調節工作狀態，具有很好的魯棒性和容錯性。這些優勢使WSN具有廣闊的前景，并已經廣泛應用在軍事、環境、工農業、醫療以及家居等多個領域中。傳感器網絡節點的結構不盡相同，但一般由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源四部分組成。這些節點常被應用于環境監管、事件檢測、上下文感知以及目標跟蹤等場景中。對于這類應用，節點采集到的數據只有綁定了相應的位置信息才有意義，因此傳感器節點自身定位機制就顯得至關重要。而人工部署或為所有網絡節點安裝GPS模塊都會受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，必須采用其它方法來實現WSN的自定位。根據定位過程是否測距，可將現有WSN自身定位算法分為兩類Range-based和Range-free,即基于測距技術的定位算法和無需測距的定位算法。前者通過測量節點間點到點的距離或角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算節點位置；后者則無需距離和角度信息，僅根據網絡連通性等信息實現，在成本、功耗等方面具有優勢，但定位精度不高。上述的方法大都用于WSN固定節點定位，移動節點定位技術處在初始階段，能量消耗和定位精度都有待提高。
發明內容本發明的目的是提供一種移動傳感器網絡定位方法，該方法能夠克服上述現存定位方法的缺點。通過鄰居節點之間的交互信息估算每個節點可能的位置邊界。不僅允許傳感器網絡中的所有節點保持靜止或隨機運動，還削減了對定位過程對種子節點的依賴，實現了能耗的均勻分布，解決種子節點周圍能耗過大的問題，從而延長網絡生存期。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是每個節點的定位過程分為階段1、初始位置估計每個節點利用DV-Hop機制通過三邊測距，估算每個節點的初始位置。2、鄰居協作更新每個節點根據鄰居節點提供的信息以及自己上一時刻的狀態更新自己新的位置邊界。初始位置估計具體步驟為初始化階段利用基于跳數的技術讓網絡中的每個節點都先知道自己的一個初始位置，為下一階段的鄰居協作更新奠定基礎。初始化共有四個步驟。首先，種子節點將自己的位置信息廣播到整個網絡。每個節點都更新自己的一個表{X”Yi,hi;ti;TTL}，并將這個信息轉發給它的鄰居。在算法中，i表示種子節點的ID，(Xi,Yi)表示種子節點的位置坐標，Iii表示節點距離i號種子的跳數，表示一個節點收到相同比的次數，TTL表示網絡生存期。更新算法確保每個節點保存的Iii都是最小的，并且通過停止轉發機制削減了網絡負載，但是這個方法存在一個問題，每個節點的最后一跳距離存在較大差別。為此我們提出一種解決方案，在具有相同的h值時，靠近種子的節點具有更大的、。因此，用hi-1+l/ti來代替原來的h，可以有效的降低估算誤差。接下來，每個種子節點收到其他種子節點的信息，來估算平均每跳距離，并將這個值傳遞給它的鄰居。一個種子節點(XyYi)計算平均每跳距離，不同的種子節點計算出的平均沒跳距離數也各不相同，因此一個節點選擇哪一個值成為問題的關鍵。我們讓種子節點將平均每跳距離只傳給它的鄰居節點，再由鄰居判斷是否繼續轉發。一旦節點收到來自三個以上不同種子傳來的平均每跳距離，它就立即停止接收和轉發其他節點傳來的消息。用這種方法，每個節點都會存在距其最近的幾個種子節點計算出的平均每跳距離，這個距離最接近它附件的網絡連通性，并且能有效的防止泛洪。此時，每個節點都擁有距兩個以上種子節點的跳數和平均每跳距離，它們的乘積就是到種子節點的距離。節點使用三邊測距的過程，利用到多個種子的距離計算自己的位置。動態鄰居更新具體步驟如下動態鄰居更新機制利用節點的移動的特性實現了高效的移動定位。在這個階段，網絡中所有節點可自由的移動，這些無規則的運動導致網絡的連通性不斷的發生變化。每個節點移動時的速度的大小和方向都在隨機變化。節點對于自己當前的移動狀態除了最大移動速度，Vmax，外一無所知。我們假設每個傳感器節點擁有相同的理想的射頻范圍，r。如何獲得每個節點位置的邊界是關鍵，當這個邊界足夠小的時候，我們就能比較精確的估算出節點所處的位置了。所有的節點需要根據自己前一時刻的位置，最大移動速度以及鄰居節點的位置信息來估算當前時刻的位置。這個階段是預測和修正兩個步驟不斷迭代的過程。在預測階段的第一個時間單元，節點預測自己可能的位置集合S1在一個圓內，這個圓的圓心是它在動態鄰居更新階段估算的初始位置，半徑是節點的最大移動速度Vmax。在隨后的時間單元，St的邊界是Sw邊界的同心圓，半徑比它前一時刻的位置邊界的半徑大Vmax°在位置修正階段，節點通過鄰居間的相互協作，過濾不可能的位置，提高定位精度。如果一個節點有一些鄰居，那么它必然在鄰居節點的射頻范圍之內。因此，在位置過濾之前需要先估算每個節點自身的射頻范圍。這個估算過程與位置估算類似，這里不再贅述。每個節點計算自己可能的位置集合與鄰居可能的射頻范圍作為它的新的位置集合。由于誤差的存在，可能導致有些鄰居節點間計算的重疊區域不存在，這時需要利用種子節點提供的信息，把它鄰居節點中那些誤差較大的點進一步修正。鄰居相互更新的機制導致重疊區域的邊界變得越來越復雜，隨著時間的推移，計算量會變得越來越大，用最大內切圓的近似策略來把重疊區域規則化的同時又在最大程度上維持估算精度。當η>3時，這個方程組就是個超定的非線性方程組，需要非線性優化的方法來近似。該方法通過鄰居節點之間的交互信息估算每個節點可能的位置邊界。不僅允許傳感器網絡中的所有節點保持靜止或隨機運動，還削減了對定位過程對種子節點的依賴，實現了能耗的均勻分布，解決種子節點周圍能耗過大的問題，從而延長網絡生存期。圖1是節點位置范圍估算示意圖。圖2是節點覆蓋范圍估算示意圖。圖3是節點位置范圍修正示意圖。具體實施例方式在無線傳感器網絡中，節點采集到的數據只有綁定了相應的位置信息才有意義，目前的節點自定位策略大多數只能確定固定節點的位置，并且定位精度不理想。本發明提出鄰居節點動態協作定位策略對網絡中移動節點的位置實時更新，計算鄰居節點覆蓋的重疊區域作為自己新的位置邊界。為了避免迭代引起的計算復雜度增加問題，算法引入了非線性最小二乘求解節點重疊區域內切圓的方法，使每次迭代計算的節點位置邊界規則化。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖1、2、3對本發明作進一步的詳細描述。在初始化時，網絡中的節點采用基于跳數的range-free定位技術確定節點初始位置，執行過程如下所示當TTL>0時每個節點接收并轉發種子節點傳來的信息；如果新的Iii<存儲的比更新Iii的值；tj=1；TTL-；hi++；如果新的Iii=存儲的比tj++；TTL-；hi++；否則停止轉發；種子節點估算平均每跳距離如下所示d)i^j,allseedsj!Σ々，節點使用三邊測距的過程，利用到多個種子的距離計算自己的位置。Δρ=JAr動態鄰居更新機制分為預測和修正兩個階段。預測又分兩類，分別是節點位置邊界的預測和節點覆蓋邊界的預測，如圖1和圖2所示。修正階段節點通過鄰居間的相互協作，過濾不可能的位置，提高定位精度，具體步驟如下重復以下循環，直到節點檢測到所有鄰居如果節點i有一個鄰居是種子節點k且Rtk=φ根據種子節點k修正節點i的位置范圍AV7;對于節點i所有了鄰居j如果CQRtk二φ根據節點i的鄰居j修正節點i的位置范圍AV7;計算出的位置范圍的重疊區域作為新的位置范圍；估算誤差的存在可能導致本來重疊區域估算出的邊界不相交，這類問題滿足如下條件VCx1-A)2+Cy1-J2)2>rl+r2其中(X，y)表示圓心坐標，r代表邊界的半徑。這時需要利用種子節點提供的信息，把它鄰居節點中那些誤差較大的點進一步修正，使用如下公式1V(A-A)2+O2-少I)2鄰居相互更新的機制導致重疊區域的邊界變得越來越復雜，隨著時間的推移，計算量會變得越來越大，用最大內切圓的近似策略來把重疊區域規則化的同時又在最大程度上維持估算精度。當η>3時，這個方程組就是個超定的非線性方程組，需要非線性優化的方法來近似J(Xi)V(Xi)+YZ(Xi)=O。權利要求一種移動無線傳感器網絡定位方法，其特征在于1)初始位置估計每個節點利用改進的DV-Hop機制通過三邊測距，估算自己的初始位置；具體步驟為首先，種子節點將自己的位置信息廣播到整個網絡，每個節點都更新自己的一個表{Xi，Yi，hi，ti，TTL}，并將這個信息轉發給它的鄰居，其中，i表示種子節點的ID，(Xi，Yi)表示種子節點的位置坐標，hi表示節點距離i號種子的跳數，ti表示一個節點收到相同hi的次數，TTL表示網絡生存期；用hi-1+1/ti代替原來的hi降低最后一跳估算誤差；然后，每個種子節點收到距離其他種子節點的跳數信息，來估算平均每跳距離，將平均每跳距離傳給它的一跳鄰居節點，再由鄰居判斷是否繼續轉發；若節點收到來自三個以上不同種子傳來的平均每跳距離，立即停止接收和轉發其他節點傳來的消息；其次，每個節點都擁有距兩個以上種子節點的跳數和平均每跳距離，它們的乘積就是到種子節點的距離；最后通過三邊測距算法，計算每個節點的初始位置坐標；2)動態鄰居更新利用節點的移動提供的更多聯通和位置信息實現高效的移動定位，在這個階段，網絡中所有節點可自由的移動，假設每個傳感器節點擁有相同的理想的射頻范圍r，所有的節點需要根據自己前一時刻的位置，最大移動速度以及鄰居節點的位置信息來估算當前時刻的位置，這個階段是預測和修正兩個步驟不斷迭代的過程在預測階段的第1個時間單元節點預測自己可能的位置集合S1在一個圓內，這個圓的圓心是它在初始位置估算階段計算的節點位置坐標，半徑是節點的最大移動速度vmax，在接下來的時間單元，St的邊界是St-1邊界的同心圓，半徑比它前一時刻的位置邊界的半徑大vmax；在位置修正階段，節點通過鄰居間的相互協作，每個節點計算自己可能的位置集合與鄰居可能的射頻范圍的重疊區域作為它的新的位置集合；估算誤差的存在可能導致本來重疊區域估算出的邊界不相交，這類問題滿足如下條件<mrow><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>></mo><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow>其中(x，y)表示圓心坐標，r代表邊界的半徑，這時需要利用種子節點提供的信息，把它鄰居節點中那些誤差較大的點進一步修正，使用如下公式<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></msqrt></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>y</mi><mo>=</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>r</mi><mn>1</mn><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