一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡非測距定位算法.doc

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1、一種改進的無線傳感器網(wǎng)絡非測距定位算法　　節(jié)點定位是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡應用的前提，控制節(jié)點定位誤差成為保證網(wǎng)絡正常運行的關鍵。采用基于測距的定位算法，可以達到良好的精度，但需要測量裝置，不適合能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡。本文分析了常用的非測距定位算法，并在此基礎上提出了一種改進的基于序列的非測距定位算法，以提高無線傳感器網(wǎng)絡定位算法的性能?！　　　∫浴　o線傳感器網(wǎng)絡具有部署靈活、便于信息獲取和傳輸?shù)忍卣鳎?］，得到大量應用。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般采用低功耗設置以解決長時工作狀態(tài)下能量補給困難的問

2、題，其節(jié)點定位技術不同于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GlobalPosiTIoningSystem，GPS）定位技術。如果采用基于測距的定位算法，可以達到良好的精度，但要求額外的物理測量設備，硬件成本和功耗偏高，不適合于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡?；诜菧y距的定位算法，由于不需要測量傳感器節(jié)點之間的物理距離或角度，在實際中具有更佳的實用性，因此成為研究熱點?！　∧壳盎诜菧y距的算法有DVHop（DistanceVectorHop）算法［2］、Centroid算法［3］、APIT算法［4］、SBL（Sequence

3、BasedLocalizaTIon）算法［5］。SBL算法是一種利用接收信號強度RSSI來采集信標節(jié)點序列，通過區(qū)域劃分實現(xiàn)節(jié)點定位的非測距定位算法。該算法對比RSSI信號的強弱獲得待定位節(jié)點與不同信標節(jié)點之間距離的相對大小，具有復雜度低、定位精度高、健壯性強的特點。但是SBL算法不能充分利用一跳范圍以外的信標節(jié)點和未知節(jié)點的信息等，本文通過分析一跳范圍以外的節(jié)點信息，在相同條件下提高了算法的定位精度，仿真實驗表明ASBL（AdvancedSequenceBasedLocalizaTIon）算法相

4、對于SBL算法在性能上有大幅的提升?！　　　?模型化　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點分為兩類：信標節(jié)點和未知節(jié)點。信標節(jié)點所占比例較小，可以獲知自身的精確位置，未知節(jié)點利用信標節(jié)點的位置信息通過某種算法來確定自身位置。如圖1所示，區(qū)域中有A、B、C三個信標節(jié)點，在A和C中垂線的上側區(qū)域中任意一點與A、C的距離關系為DA《DC，同理在中垂線下側區(qū)域有DC《DA。不同的中垂線相互交叉把網(wǎng)絡所在區(qū)域分割成更小的獨立區(qū)域，每個獨立區(qū)域到信標節(jié)點的距離排序是唯一的，這個排序序列稱為該獨立區(qū)域的簽名序列。如果一個

5、待定位節(jié)點在DB《DA∩DB《DC∩DA《DC區(qū)域中通過RSSI測量各個信標節(jié)點的信號強度，那么得到的信號強度應該是SB》SA》SC，待定位節(jié)點認為自己測得的定位序列為B-A-C?！　　　D1區(qū)域劃分和求簽名序列　　兩個序列之間的匹配相似度采用斯皮爾曼相關系數(shù)［6］（Spearman‘sRankOrderCorrelaTIonCoefficient）和肯德爾等級相關系數(shù)［6］（Kendall’sTau）來衡量。給定兩個序列U={ui}和V={vi}，1≤i≤n，其中n表示信標節(jié)點的個數(shù)，ui和vi

6、表示序列中的信標節(jié)點的位置。用ρ表示斯皮爾曼相關系數(shù)，用τ表示肯德爾等級相關系數(shù)，則有：　　　　其中，nc表示兩個序列中先后順序一致的節(jié)點對的數(shù)目，nd表示兩個序列中先后順序不一致的節(jié)點對的數(shù)目，ntu和ntv分別表示兩個序列的內(nèi)部關系數(shù)。　　ρ和τ的值都介于-1和1之間。兩個完全相同序列的ρ和τ的值為1，完全不相關的兩個序列的ρ和τ的值為0，兩條相逆的序列的ρ和τ的值為-1。SBL算法取ρ和τ值最大的序列作為匹配序列。如圖2所示，待定位節(jié)點通過式（1）的匹配算法與“簽名序列表”中的序列進行匹配，

7、可以得出自己所在的區(qū)域，以該區(qū)域的質心作為自己的坐標。　　　　圖2匹配探測序列完成定位　　　　2ASBL算法　　ASBL算法的待定位節(jié)點只能接收到通信半徑范圍內(nèi)的信標節(jié)點的RSSI值，無法充分利用通信半徑外的信標節(jié)點信息來定位。當網(wǎng)絡中信標節(jié)點增多時，理論上被分割區(qū)域并沒有發(fā)揮作用?！　∪鐖D3所示，S表示待定位節(jié)點，最中心的虛線范圍表示S經(jīng)過RSSI序列進行初步定位之后可能的待定位區(qū)域。A表示在S通信范圍內(nèi)的信標節(jié)點，B表示2跳范圍的信標節(jié)點，C和D表示三跳范圍的信標節(jié)點。分別做AB、AC和AD之

8、間的平分線，AB和AC之間的平分線穿越S的待定位區(qū)域，能夠縮小待定位區(qū)域的面積，當信標節(jié)點D位于三跳范圍邊緣時，AD之間的平分線剛好與待定位區(qū)域的邊緣相切，未能穿越待定位區(qū)域。因此，在均勻分布的網(wǎng)絡中，距離待定位節(jié)點跳數(shù)越小的信標節(jié)點對于待定位節(jié)點的定位幫助越大，隨著跳數(shù)的增加，三跳范圍以外的的信標節(jié)點不能對待定位節(jié)點的定位提供有用的位置信息。在實際中，待定位節(jié)點發(fā)出的定位詢問信息的跳數(shù)上限設置為6即可，既能最大化地利用多跳信標節(jié)點的位置信息，又不會消耗過多的能量用于通信?！　　　?/p>