CN101179846B - 基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括一按无线通信范围增量可以变化的、位于监测区域内的移动锚节点；所述无线传感器网络节点定位方法采用分层定位的方法，预先设定无线传感器网络共分为n层，n为自然数，且n大于或等于2；所述网络节点处于第k层，k为自然数，且k的初始值为1，所述分层定位方法包括如下步骤：步骤1：所述移动锚节点以速度v在监测区域内沿直线移动，同时所述移动锚节点每隔时间t发送所述信标信息给第一层的网络节点；本发明不仅提高了计算精度，而且大量减低了能耗。

Description

基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法

技术领域

本发明涉及一种网络节点的定位方法，尤其涉及一种无线传感器网络节点的定位方法。

背景技术

近年来，由于无线传感技术、无线通信技术以及微电子技术的发展，无线传感器网络开始进入人们的视野并开始得到商用。无线传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，成为近期国际上网络研究的重要热点之一。传感器网络的大量应用都依赖于节点的位置信息，如战场侦察、生态环境监测、地震洪水火灾等现场的监控等应用中，都需要知道传感节点的位置信息，从而获知信息来源的准确位置。此外，节点的位置信息还可以协助路由、构建网络拓扑图、实时统计网络覆盖情况等等。

因此，传感器节点的精确定位对各种应用有着重要的作用。目前已有了很多的定位***和方法，主要分为基于距离的定位方法和距离无关的定位方法。前者需要测量相邻节点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未知节点间的位置，故对节点的硬件要求很高，相对的定位过程中消耗的能量也多；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点位置，故对节点的要求低，使得节点成本更适合于大规模传感器网络，但是已有的无需测距的定位方法的定位精度较低。另外，传感器节点是采用电池供电，其电能不仅十分有限，而且不能补充，因此低能耗的节点定位也是非常必要。而且，无线传感器网络一般应用在人无法到达或者是比较危险的区域，因此定位方法还应该适用于这种恶劣的环境中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，该方法克服了现有测距无关定位技术中测量精度低的缺陷，还能够在节点定位过程中节省能量，克服了现有技术中传感器节点采用电池供电，电能不仅十分有限，而且不能补充的缺陷。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：，所述无线传感器网络包括一按无线通信范围增量可以变化的、位于监测区域内的移动锚节点；所述无线传感器网络节点定位方法采用分层定位的方法，预先设定无线传感器网络共分为n层，n为自然数，且n大于或等于2；所述网络节点处于第k层，k为自然数，且k的初始值为1，所述分层定位方法包括如下步骤：

步骤1：所述移动锚节点以速度v在监测区域内沿直线移动，同时所述移动锚节点每隔时间t发送所述信标信息给第k层的网络节点；其中v＝L/t，L是信标信息间隔距离；所述移动锚节点发射的信标信息的参数为(M(x_i，y)，Ti，Y_k，Y_k-1)，其中M(x_i，y)代表所述移动锚节点在Ti时间发射所述信标信息时的位置坐标，Ti代表所述移动锚节点发射所述信标信息至所述网络节点的时间，Y_k代表所述移动锚节点发射给k层的所述信标信息发射范围，Y_k-1代表所述移动锚节点在前一层发送的所述信标信息发射范围；

步骤2：第k层的网络节点接收所述移动锚节点发送的所述信标信息，并将接收到的所述信标信息和接收信标信息的时间存储在所述存储单元中；即所述存储单元存储的信息为(M(x_i，y)，Ti+t0，Y_k，Y_k-1)，t0是预定义的，t0不小于所述移动锚节点发送信息的间隔时间t，且t0还应该小于二倍的t(t0＝αt，1≤α＜2)；

步骤3：对第k层的网络节点进行定位；

步骤4：第k层的网络节点完成定位后，判断k是否大于层数n，如果k不大于层数n，则执行步骤5；

步骤5：由所述移动锚节点判断k是否等于1，如果k不等于1，则执行步骤6；如果k等于1，则Y_k-1＝0；然后执行步骤6；

步骤6：所述移动锚节点无线通信范围增加δ_r，δ_r是无线通信范围增量；将k的值加1；然后执行步骤1。

优选的，步骤3中所述的对网络节点进行定位的方法为：

步骤31：由所述传感器网络节点判断是否接收到所述信标信息，如果接收到了所述信标信息，则执行步骤32，否则，继续判断所述传感器网络节点是否接收过所述信标信息，如果没有接收过所述信标信息，继续执行步骤31，否则，判断时间t是否小于T_i+t0， 如果时间t小于T_i+t0，继续执行步骤31；否则执行步骤33；

步骤32：由所述传感器网络节点判断是否首次接收到所述信标信息，如果是，则将所述信标信息作为首次接收的信标信息存储，记为B_i，然后返回步骤31；如果不是，则将所述信标信息作为最终接收的信标信息储存，记为B_j，然后返回步骤31；所述信标信息B_i和B_j的内容分别包含两点的位置信息M((X_i，0)，Ti+t0，Y_k，Y_k-1)和M((X_j，0)，Tj+t0，Y_k，Y_k-1)；

步骤33：定位所述传感器网络节点的位置，定位所述传感器网络节点的横坐标Xs和所述传感器网络节点的纵坐标Ys；如果信标信息的个数大于1，则

Xs＝(X_i+X_j)/2      ①

Ys＝(Y_k+Y_k-1)/2    ②

如果信标信息的个数等于1，则

X_S＝X_i             ③

Ys＝(Y_k+Y_k-1)/2    ④；

优选的，在执行步骤3后，所述第k层的无线传感器网络节点进入休眠状态，所述无线传感器网络节点的休眠时间为T_variable，假设监测区域为矩形区域，所述矩形区域的长为l，宽为b，所述移动锚节点的移动速度为v、锚节点无线通信范围的增量为δ_r、以及所述移动锚节点从定位开始到当前时间已经走过的距离为d_variable，可以得到所述无线传感器网络节点休眠时长为：

$T_{\mathrm{variable}}=\frac{\mathrm{lb}}{v{\mathrm{\δ}}_r}-\frac{d_{\mathrm{variable}}}{v};$

在所述无线传感器网络节点休眠时间内，所述无线传感器网络节点不接收所述信标信息。

优选的，所述移动锚节点的移动轨迹是一维的沿着监测区域一边的一条直线。

优选的，该方法适用于二维空间。

优选的，该方法适用于三维空间。

优选的，所述移动锚节点安装有全球定位***(global positioning system GPS)接收装置。

由于本发明借助一个移动锚节点来对无线传感器网络节点进行定位，无需利用无线传感器网络节点的估计距离来计算无线传感器网络节点的位置，每个节点定位时都没有累积误差，所以提高了计算精度；

在本发明的一个优选实施例中，由于计算了所述无线传感器网络节点的休眠时间，在该休眠时间内，所述无线传感器网络节点不接收信息，只计算无线传感器网络节点的位置，而且，各个无线传感器网络节点只用接收信息来定位自身而不用发送信息来协助其他的节点进行定位，发送信息消耗的能量比接收信息要多得多，而且发送越远消耗能量越多，所以本发明可以大量减低能耗。

在本发明的一个优选实施例中，移动锚节点的移动轨迹是一维的沿着监测区域一边的一条直线，这样所述移动锚节点移动轨迹简单易于实现，而且也可以安全的实现对危险或敌对区域的网络节点的定位。

在本发明的一个优选实施例中，由于只有单个移动锚节点安装有全球定位***(global positioning system GPS)接收装置，其它传感器节点无需安装GPS接收装置或其它额外的硬件，这样可以节省整个***得成本，使得无线传感器网络适用于大型监测区域。

附图说明

图1是本发明的无线传感器网络结构图；其中a是移动锚节点；b是网络节点；c是移动锚节点移动轨迹；d是虚拟分层线；

图2是本发明提供的的基于单锚节点低能耗的无线传感器网络节点定位的静态示意图；其中a是锚节点；b是网络节点；c是锚节点移动轨迹；d是虚拟分层线；

图3是监测区域中小部分节点定位动态示意图；

图4是一个具体的传感器节点S的定位示意图；

图5是本发明提供的分层定位方法流程图；

图6是传感器节点计算自身位置的流程图；

图7是本发明定位方法模拟仿真定位结果示意图；

图8是使用本发明提供的预测唤醒时间休眠方式和周期唤醒休眠能量消耗比较图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，该方法采用单锚节点协助的方法对监测区域中的网络节点进行定位，锚节点移动轨迹为沿着X轴的一条直线。本发明还适用于敌对区域中，而且对整个***成本要求也是很低的。为了节省节点在定位过程中的能耗，本发明还提出了预测唤醒时间的节点休眠/唤醒方式，该方式使得节点在定位期间的能量消耗降低很多。

无线传感器网络现在已经是网络中的一个热点而且在越来越多的领域得到应用，尤其是在有很多局限性的敌对环境中，本发明中就是考虑敌对的环境(比如战场)下节点的定位。在这种恶劣的环境中，由于传感器节点可能被毁坏，所以它们的寿命可能很短暂。为了节约***的成本，在监测区域是不应布置昂贵的传感器。因此我们提出的方法要求：第一，定位方法应该是无需测距的。第二，锚节点必须布置在边缘的安全区域。第三，锚节点的数量应该是最少的。第四，为了避免传感器节点被发现，因此节点的物理尺寸应该很小。最后，为了节省能量，每个传感器节点的无线信号范围是有限的。该定位方法就是在以上叙述的限制下提出的。本发明中应用了一个移动的锚节点，锚节点是沿着一边移动，而且，节点位置计算公式简单，定位期间需要储存空间很小。

如图1所示，无线传感器网络结构包括移动锚节点a和网络节点b，移动锚节点a的移动轨迹为c，d是虚拟分层线。如图2所示，为基于单锚节点传感器节点定位的静态示意图，a是移动锚节点，b是网络节点，c是移动锚节点移动轨迹，d是虚拟分层线。如图3所示，为监测区域中小部分节点定位动态示意图；如图4所示，为一个具体的无线传感器网络节点S的定位示意图。

本发明的原理基础为，由于在等腰三角形中，底边的垂直平分线过顶点，本发明应用以上几何方法对传感器网络节点的横坐标进行定位。假定等腰三角形底边所在直线是水平的，如果已知底边上两点的横坐标位置信息，那么该等腰三角形顶点的横坐标就是底边两点横坐标的平均值。网络节点纵坐标的确定是通过分层定位的方法来实现的。传感器网络节点横坐标的确定是通过接收到的信标信息来确定，因为大部分的传感器只能收到移动锚节点发给自己所在层的信息，如果一个节点收到信息就可以确定自己所在的层，根据分层信息来确定纵坐标，但是有的节点可能收到的是锚节点发送给较高层的信 息，这样有可能增加节点在纵坐标的方向上的定位误差，为了改善这一情况，需要将锚节点发射信标信息间隔距离进行适当调整。下面详细地叙述锚节点发射信标信息间隔距离以及锚节点无线通信范围与横、纵坐标定位误差的关系，而且给出了如果要达到某一精度，这两个值应该如何选取的证明过程。无线通信范围增量δ_r需要锚节点在每走完一次全程，发射信号的覆盖范围呈梯度的增长一次来达到分层的目的，无线通信范围增量就是每走完一次全程后，锚节点的无线通信范围的增加量。锚节点无线通信范围增量以及信标信息间隔距离由以下定理确定：在所述定位方法中，如果***坐标定位误差要求不大于α，则锚节点无线通信范围增量δ_r(δ_r≥0)和信标信息间隔距离L(L≥0)应满足以下条件：当  $\frac{2a}{3}\≤{\mathrm{\δ}}_r\≤2a$ 时，  $L\≤\frac{4a}{\sqrt{5}};$ 当  $0\≤{\mathrm{\δ}}_r\≤\frac{2a}{3}$ 时，L≤2α。

从几何学的方法可知，每个网络节点仅需要第一次接收的信标信息和最后一次接收的信标信息两个信标节点信息来计算节点的位置。图4中，假如某个传感器网络节点S所选的信标节点为第一次接收到的信息B_i和最后一次接收信息B_j，它们信息内容中包含两点的位置信息(X_i，0)和(X_j，0)，以及信标节点信息发射范围Y_k和前一层锚节点发送的信标节点信息发射范围Y_k-1。

现有的节能策略中主要有休眠机制、数据融合等等。休眠机制的主要思想是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信模块处于空闲状态，或者把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态，该机制对于延长传感器节点的生存周期非常的重要，大部分的休眠机制是周期的进行休眠。在该定位方法中，如果采用周期性的休眠/唤醒方式，处于较低梯度的节点会周期性的被唤醒，在唤醒状态和休眠状态之间不断的转换，而且还会多次的接收发给较高梯度节点的信息，这样就会浪费大量的能量，为了改变这种情况，在本发明中提出了预测唤醒时间的概念，这样就解决了上述存在的问题，节省了节点能量。在本发明定位过程中，并不需要传感器网络节点周期的进行休眠状态与工作状态的转换，而是当该网络节点进行定位时，传感器网络节点处于侦听状态，当网络节点定位完成，则该网络节点处于休眠状态直到所有的节点定位结束。所谓“预测唤醒时间”就是指当传感器网络节点已定位自身后，自动将接收信号天线和计算模块断开，这样传感器节点就不会再接收信号，当预测的唤醒时间到达(也就是休眠时间耗尽后)，节点被唤醒，自动的将天线等开关合上，传感器节点由休眠状态转换为侦听状态，这样减少了能量的消耗。传感器节点休眠时间主要是通过锚节点来计算的。锚节点的速度已知，监测区域的长宽也可以确定的，这样锚节点就可以计算出总的定位时间，则某个节点休眠时间等于总定位时间减去锚节点已用去的定位时间。该时间也要发射给未知网络节点，未知网络节点将最后一次收到的信息中休眠时长作为自己的休眠时间。该方法可以使网络节点节约大量的能量，图8是使用预测唤醒时间休眠方式和周期唤醒休眠能量消耗比较，从图中可以了解到该方法使节点在定位期间节约了大量能量。

发明中可以通过调节锚节点的两个参数(锚节点发射信标信息间隔距离、通信范围增量)来适当的调节定位误差，也就是定位误差可以根据不同***中不同的需要而进行改变。但是也不能无限制的减小定位误差，因为还要考虑节点能量消耗的问题。

无线传感器网络节点定位方法采用分层定位的方法，如图5所示，预先设定无线传感器网络共分为n层，n为自然数，且n大于或等于2；所述网络节点处于第k层，k初始值为1，所述分层定位方法包括如下步骤：

步骤1：移动锚节点以速度v在监测区域内沿直线移动，如图3所示，移动锚节点从O移动到O′，同时所述移动锚节点每隔时间t发送所述信标信息给第k层的网络节点；其中v＝L/t，L是信标信息间隔距离；信标信息间隔距离L在本发明方法中，锚节点沿着一条水平直线移动并间或发射信标信息给未知节点，信标信息间隔距离就是移动锚节点发射信标信息时的间隔距离。所述锚节点移动速度v是根据各个网络中定位时间来确定的，当需要节点快速定位时，则选择较大的锚节点移动速度即可，锚节点的速度可选择10m/s---50m/s。所述移动锚节点发射的信标信息的参数为(M(x_i，y)，Ti，Y_k，Y_k-1)，其中M(x_i，y)代表所述移动锚节点在Ti时间发射所述信标信息时的位置坐标，Ti代表移动锚节点发射所述信标信息至所述网络节点的时间，Y_k代表所述移动锚节点发射给k层的所述信标信息发射范围，Y_k-1代表所述移动锚节点在前一层发送的所述信标信息发射范围；

步骤2：第k层的网络节点接收所述移动锚节点发送的所述信标信息，并将接收到的所述信标信息和接收信标信息的时间存储在所述存储单元中；即所述存储单元存储的信息为(M(x_i，y)，Ti+t0，Y_k，Y_k-1)，t0是预定义的，t0不小于所述移动锚节点发送信息的间隔时间t，且t0还应该小于二倍的t(t0＝αt，1≤α＜2)；

步骤3：对第k层的网络节点进行定位；

步骤4：第k层的网络节点完成定位后，由所述移动锚节点判断k是否大于层数n， 如果k不大于层数n，则执行步骤5；

步骤5：由所述移动锚节点判断k是否等于1，如果k不等于1，则执行步骤6；如果k等于1，则Y_k-1＝0；然后执行步骤6；

步骤6：所述移动锚节点无线通信范围增加δ_r(δ_r是无线通信范围增量)；将k的值加1；然后执行步骤1。

对网络节点进行定位的方法为：

步骤31：由所述传感器网络节点判断是否接收到所述信标信息，如果接收到了所述信标信息，则执行步骤32，否则，继续判断所述传感器网络节点是否接收过所述信标信息，如果没有接收过所述信标信息，继续执行步骤31，否则，判断时间t是否小于T_i+t0，如果时间t小于T_i+t0，继续执行步骤31；否则执行步骤33；

步骤32：由所述传感器网络节点判断是否首次接收到所述信标信息，如果是，则将所述信标信息作为首次接收的信标信息存储，记为B_i，然后返回步骤31；如果不是，则将所述信标信息作为最终接收的信标信息储存，记为B_j，然后返回步骤31；所述信标信息B_i和B_j的内容分别包含两点的位置信息M((X_i，0)，Ti+t0，Y_k，Y_k-1)和M((X_j，0)，Tj+t0，Y_k，Y_k-1)；

步骤33：定位所述传感器网络节点的位置，定位所述传感器网络节点的横坐标Xs和所述传感器网络节点的纵坐标Ys；如果所述信标信息的个数大于1，则

Xs＝(X_i+X_j)2       ①

Ys＝(Y_k+Y_k-1)/2    ②

如果所述信标信息的个数等于1，则

X_S＝X_i             ③

Ys＝(Y_k+Y_k-1)/2    ④；

为了节省能量，当无线传感器网络节点完成自身的定位后，无线传感器网络节点进入休眠状态，所述无线传感器网络节点的休眠时间为T_var iable，假设监测区域为矩形区域，所述矩形区域的长为l，宽为b，所述移动锚节点的移动速度为v、锚节点无线通信范围的增量为δ_r、以及所述移动锚节点从定位开始到当前时间已经走过的距离为d_variable，可以得到所述无线传感器网络节点休眠时长为：

$T_{\mathrm{variable}}=\frac{\mathrm{lb}}{{\mathrm{v\δ}}_r}-\frac{d_{\mathrm{variable}}}{v};$ d_variable是锚节点已经移动距离的变量，因此，节点休眠时间T_variable的值在锚节点的每次发射信号时都不同。大部分的节点接收的信息次数都是不少于两次的，因此它们将最后一次接收到的信息中的信息作为自己休眠时长。

在所述无线传感器网络节点休眠时间内，所述无线传感器网络节点不接收所述信标信息。

如图7所示，在综合考虑节点能量消耗和定位误差的情况下，模拟仿真结果表明，该方法的定位误差小于等于0.7m.与现有距离无关的质心(Centroid)算法和距离向量-跳段(distance vector-hop DV-hop)算法比较，本发明在定位误差，定位时间等方面都存在优势。

该方法适用于二维空间，也适用于三维空间。移动锚节点安装有全球定位***(global positioning system GPS)接收装置。

Claims (4)

1.一种基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括一按无线通信范围增量可以变化的、位于监测区域内的移动锚节点；所述无线传感器网络节点定位方法采用分层定位的方法，预先设定无线传感器网络共分为n层，n为自然数，且n大于或等于2；所述网络节点处于第k层，k为自然数，且k的初始值为1，所述分层定位方法包括如下步骤：

步骤1：所述移动锚节点以速度v在监测区域内沿直线移动，同时所述移动锚节点每隔时间t发送信标信息给第k层的网络节点；其中v＝L/t，L是信标信息间隔距离；所述移动锚节点发射的信标信息的参数为(M(x_i，y)，Ti，Y_k，Y_k-1)，其中M(x_i，y)代表所述移动锚节点在Ti时间发射所述信标信息时的位置坐标，Ti代表所述移动锚节点发射所述信标信息至所述网络节点的时间，Y_k代表所述移动锚节点发射给k层的所述信标信息发射范围，Y_k-1代表所述移动锚节点在前一层发送的所述信标信息发射范围；

步骤2：第k层的网络节点接收所述移动锚节点发送的所述信标信息，并将接收到的所述信标信息和接收信标信息的时间存储在存储单元中；即所述存储单元存储的信息为(M(x_i，y)，Ti+t0，Y_k，Y_k-1)，t0是预定义的，t0不小于所述移动锚节点发送信息的间隔时间t，且t0＝αt，其中α为大于等于1并且小于2的数；

步骤3：对第k层的网络节点进行定位，包括如下步骤：

步骤31：由所述传感器网络节点判断是否接收到所述信标信息，如果接收到了所述信标信息，则执行步骤32，否则，继续判断所述传感器网络节点是否接收过所述信标信息，如果没有接收过所述信标信息，继续执行步骤31，否则，判断时间t是否小于T_i+t0，如果时间t小于T_i+t0，继续执行步骤31；否则执行步骤33；

步骤32：由所述传感器网络节点判断是否首次接收到所述信标信息，如果是，则将所述信标信息作为首次接收的信标信息存储，记为B_i，然后返回步骤31；如果不是，则将所述信标信息作为最终接收的信标信息储存，记为B_j，然后返回步骤31；所述信标信息B_i和B_j的内容分别包含两点的位置信息M((X_i，0)，Ti+t0，Y_k，Y_k-1)和M((X_j，0)，Tj+t0，Y_k，Y_k-1)；

步骤33：定位所述传感器网络节点的位置，定位所述传感器网络节点的横坐标Xs和所述传感器网络节点的纵坐标Ys；如果所述信标信息的个数大于1，则

Xs＝(X_i+X_j)/2      ①

Ys＝(Y_k+Y_k-1)/2    ②

如果所述信标信息的个数等于1，则

X_S＝X_i             ③

Ys＝(Y_k+Y_k-1)/2    ④；

步骤4：第k层的网络节点完成定位后，判断k是否大于层数n，如果k不大于层数n，则执行步骤5；

步骤5：由所述移动锚节点判断k是否等于1，如果k不等于1，则执行步骤6；如果k等于1，则Y_k-1＝0；然后执行步骤6；

步骤6：所述移动锚节点无线通信范围增加δ_r，δ_r是无线通信范围增量；将k的值加1；然后执行步骤1。

2.如权利要求1所述的基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，在执行步骤3后，所述第k层的无线传感器网络节点进入休眠状态，所述无线传感器网络节点的休眠时间为T_variable，假设监测区域为矩形区域，所述矩形区域的长为l，宽为b，所述移动锚节点的移动速度为v、锚节点无线通信范围的增量为δ_r、以及所述移动锚节点从定位开始到当前时间已经走过的距离为d_variable，可以得到所述无线传感器网络节点休眠时长为：

$T_{\mathrm{variable}}=\frac{\mathrm{lb}}{v{\mathrm{\δ}}_r}-\frac{d_{\mathrm{variable}}}{v};$

在所述无线传感器网络节点休眠时间内，所述无线传感器网络节点不接收所述信标信息。

3.如权利要求1所述的基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，所述移动锚节点的移动轨迹是一维的沿着监测区域一边的一条直线。

4.如权利要求1或3所述的基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，该方法适用于二维空间。

Images