一種用于無線傳感器網絡的改進landmrac定位算法
【專利摘要】本發明提供了一種用于無線傳感器網絡的改進LANDMRAC定位算法，適用于無線傳感器網絡的節點定位，屬于無線通信的技術領域。針對無線傳感器網絡無法實現以較低的功耗和成本實現節點的精確定位，本發明提出了一種基于節點信號強度的改進LANDMRAC定位算法。采用此方法可以在無線傳感器網絡節點精確定位和較低部署和運行成本之間取得平衡。該算法步驟為部署無線傳感器網絡、錨節點廣播、節點接收并記錄信號強度、節點選擇最近鄰節點和根據質心算法計算節點位置。該算法計算簡單、定位精度高，無需額外設備，因此適用于低成本、資源有限的無線傳感器網絡。
【專利說明】
-種用于無線傳感器網絡的改進LANDMRAC定位算法
技術領域
[0001] 本發明屬于無線通信的技術領域，提出了一種基于節點信號強度的改進LANDMRAC 定位算法，適用于無線傳感器網絡的節點定位。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網絡節點定位是設及計算和科學諸多領域相互依賴的問題，同時也是 與多種工程系統息息相關的。對于大多數應用，不知道傳感器位置而感知的數據是沒有意 義的。傳感器節點必須明確自身位置才能詳細說明"在什么位置或區域發生了特定事件"， 實現對外部目標的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節點位置信息還可W提高路由效率， 為網絡提供命名空間，向布署者報告網絡的覆蓋質量，實現網絡的負載均衡W及網絡拓撲 的自配置。
[0003] 對于節點的位置，可W通過人工布署后，記錄詳細的地理坐標來標記傳感器節點 的位置。但是記錄會耗費大量的人力物力，且實際布署的環境可能不適于人們進入，因此， 運種記錄節點位置的方式不適用于該系統。為傳感器節點安裝GPS定位模塊也可W獲得節 點的位置。但是由于成本、節點功耗的限制，不可能將每個節點都配備GPS模塊。可W將一部 分節點配備GPS模塊，運些節點即成為錯節點，又叫信標節點。其他節點通過與錯節點之間 的數據交互，利用特定的算法，實現自身的定位。
[0004] 定位測量技術包括:無線時間差分技術，無線和聲信號測量技術，信號強度測量技 術，無線連通技術等。
[0005] 基于測量的定位系統主要包括基于RSSI的定位，基于TD0A的定位，T0A的定位、基 于TD0A的定位、基于A0A的定位。
[0006] 基于RSSKRECEIVED SIGNAL STRENGTH INDICATOR)的測量技術：即已知節點的發 射功率，在接收節點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播 損耗轉化為距離。該技術主要使用RF信號.因傳感器節點本身具有無線通信能力，因此是一 種低功耗、低成本的測距技術，RADAR、SP0T0N等許多項目中使用了該技術。它的主要誤差來 源是環境影響所造成的信號傳播模型的建模復雜性，反射、多徑傳播、非視距(NON-LIW- 0F-SIGHT，NL0S)、天線增益等問題都會在距離相同情況下產生顯著不同的傳播損耗。
[0007] 基于TD0A(TIME DIF陽RENCE ON ARRIVAL)的測量技術。TD0A測距技術被廣泛應用 在WSN定位方案中。一般是在節點上安裝超聲波收發器和射頻收發器。測距時，在發射端，兩 種收發器同時發射信號，利用聲波與電磁波在空氣中傳播速度的巨大差異在接收端通過記 錄兩種不同信號到達時間的差異，基于已知信號傳播速度，直接把時間轉化為距離。該技術 的測距精度較RSSI高，可達到厘米級，但受限于超聲波傳播距離有限和化0S問題對超聲波 信號的傳播影響。
[000引基于A0A(ANGLE OF ARRIVAL)的測距技術。運是一種估算鄰居節點發送信號方向 的技術，可通過天線陣列或多個接收器結合來實現，除定位外，還能提供方向信息，如MIT的 T肥CRICKET COMPASS等項目中就提出了基于A0A的定位算法。A0A技術也受外界環境影響， 如噪聲、化OS問題等都會對測量結果產生不同影響。同時，AOA需要額外硬件，可能無法滿足 傳感器節點對硬件尺寸和功耗的要求。
[0009] 基于T0A(TIME OF ARRIVAL)的測距技術。該技術通過測量信號傳播時間來測量距 離，因此需要節點間精確的時間同步。使用T0A技術最基本的定位系統是GPS。GPS系統需要 昂貴、高能耗的電子設備來精確同步衛星時鐘。由于WSN節點的硬件尺寸、價格和功耗限制， 實際應用T0A技術的定位方案較少，但近期超寬帶化LTRA-WIDEBAND，UWB)通信技術的發展 W及在無線傳感器網絡中的應用，使得利用T0A定位具有了廣闊的前景。
[0010] 針對W上背景信息，研究一種適用于無線傳感器網絡的節點定位算法具有重要意 義。
【發明內容】
[0011] 由于RFID系統和無線傳感器網絡非常相似，受到LANDMARC算法的啟發，提出了一 種適用于無線傳感器網絡節點定位的改進的LANDMARC算法。和RFID定位系統相比，無線傳 感器網絡定位系統中的錯節點相當于RFID系統中的參考標簽;無線傳感器網絡中的待定位 節點相當于RFID系統中的帶定位標簽。兩者最大的區別在于，RFID系統中標簽的數據需要 讀寫器讀取，標簽之間無法進行數據交互。而傳感器網絡中的節點之間可W直接進行數據 交互，而不需要一個專口的讀寫設備進行數據的收發。
[0012] 本發明解決的技術問題:針對無線傳感器網絡無法實現W較低的功耗和成本實現 節點的精確定位，本發明提出了一種基于節點信號強度的改進LANDMRAC定位算法。采用此 方法可W在無線傳感器網絡節點精確定位和較低部署和運行成本之間取得平衡。
[0013] 本發明的技術方案:具有節點定位功能的無線傳感器網絡節點區分為錯節點和非 錯節點；W錯節點的信號強弱為基礎，依據待定位節點最近鄰錯節點的精確位置信息計算 出待定位節點的位置;步驟如下：
[0014] (1)部署由若干錯節點和普通節點構成的無線傳感器網絡。
[0015] (2)錯節點定位并做全網節點廣播，非錯節點接收和記錄錯節點的發射功率。
[0016] (3)待定位節點依據信號強弱選出若干最近鄰錯節點。
[0017] (4)待定位節點根據質屯、算法和最近鄰錯節點坐標計算自身坐標。
[0018] 本發明的有益效果:該算法計算簡單、定位精度高，無需額外設備，因此適用于低 成本、資源有限的無線傳感器網絡。
【具體實施方式】
[0019] W下結合技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0020] -種用于無線傳感器網絡的改進LANDMRAC定位算法，W錯節點的信號強弱為基 礎，依據待定位節點最近鄰錯節點的精確位置信息計算出節點的位置。本發明提出的具有 節點定位功能的無線傳感器網絡節點區分為錯節點和非錯節點。其中，錯節點具有感知、無 線通信和精確定位功能，可直接獲得節點自身的位置信息;但與非錯節點相比，該類節點成 本較高、能耗較大。非錯節點僅具有常規節點的感知功能與基本短距無線通信能力。
[0021] 設系統中有m個已知位置的錯節點，η個待定位的傳感器節點;步驟如下：
[0022] (1)將m個已知位置的錯節點和η個待定位的傳感器節點布署到監控區域，通過 Zigbee網絡協議組織成無線網絡。
[0023] (2)m個錯節點向全網節點廣播一組信號，并記錄其廣播信號的發射功率為： 聲=(巧，巧，巧，......。
[0024] (3)n個待定位節點接收來自錯節點的信號，并記錄接收信號強度為：
[0025]
[0026] 其中，Si康示節點j接收到的錯節點i的信號強度，則節點j與錯節點i之間的歐式 距離為：
[0027] (4)對于每個待定節點，依據接收到的信號強弱選出與其距離最近(歐式距離最 小）的K個錯節點(最近鄰錯節點）。
[0028] (5)根據質屯、算法和最近鄰錯節點坐標求出待定位節點的坐標為：
[0029]
[0030] 其中，wij表示第i個錯節點對第j個待定位節點的權重（i = 1，2，3......，K<m; j = 1， 2,3……，n)。可由經驗公式獲得：
[0031]
[0032] 通過待定位節點的實際坐標和用W上方法得到的待定位節點的坐標的比較，可W 算出它們之間的誤差值
其中（XD，y。)表示的是待定位節點的實際 坐標位置；（x，y)是通過W上算法計算得到的待定位節點坐標。該誤差值的大小也是衡量定 位算法是否準備的最重要指標。
【主權項】
1. 一種用于無線傳感器網絡的改進LANDMRAC定位算法，其特征在于，設系統中有m個已 知位置的錨節點，η個待定位的傳感器節點； 步驟如下： (1)將m個已知位置的錨節點和η個待定位的傳感器節點布署到監控區域，通過Z i gbe e 網絡協議組織成無線網絡； (2 )m個錨節點向全網節點廣播一組信號，并記錄其廣播信號的發射功率為： ……,piu), (3) n個待定位節點接收來自錨節點的信號，并記錄接收信號強度為： \_^n j ^ …**** - 其中，心表示節點j接收到的錨節點i的信號強度，則節點j與錨節點i之間的歐式距離 為 1(4) 對于每個待定位的傳感器節點，依據接收到的信號強弱選出與其距離最近，即歐式 距離最小的K個錨節點，K個錨節點即為最近鄰錨節點； (5) 根據質心算法和最近鄰錨節點坐標求出待定位節點的坐標為：/ = ! 其中，wij表示第i個錨節點對第j個待定位節點的權重（i = 1，2,3......，K〈m; j = l，2， 3……，n);由下述公式獲得：通過待定位節點的實際坐標和計算得到的待定位節點的坐標比較，得出二者的誤差值其中（Xci，y。)表示的是待定位節點的實際坐標位置；（x，y)是通過 以上算法計算得到的待定位節點坐標。
【文檔編號】H04W64/00GK105872977SQ201610333795
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】竇濤
【申請人】大連理工大學