CN101212780A - 确定网络节点相对位置的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定网络节点相对位置的方法，包括以下步骤：网络节点获取其自身与其他网络节点间的相对距离；网络节点间交互所述相对距离的信息；根据所述网络节点间的相对距离确定所述网络节点间的相对位置。本发明公开了确定网络节点相对位置的***。本发明采用测量网络节点之间的相对距离的方法来确定网络节点间的相对位置，采用本发明技术方案不需要增加额外硬件条件下，不需要已知参考节点位置信息，从而减轻网络的硬件负担，降低组网难度。

Description

确定网络节点相对位置的方法及***

技术领域

本发明涉及网络中节点的定位技术，尤其涉及一种确定网络节点相对位置的方法及***。

背景技术

MANET(Mobile Ad Hoc Networks，移动自组网络)是一种无基站的无线多跳网络，具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的、点对点的自创建、自组织、自管理功能。移动自组网络与传统蜂窝技术的根本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施，例如基站或路由器等支持的条件下进行的。***支持动态配置和动态流控，所有网络协议都是分布式的。由于这类网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点，所以允许节点发生故障、离开网络或加入网络。也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动，而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接。因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求。也正是由于这些原因，MANET的设计实现十分困难。

自组网络是由一组具有路由功能的节点组成的分布式无线多跳网络，不依靠任何预设的网络基础设施。因为自组网络中节点的传输范围有限，源节点在向目的节点发送数据时，通常需要其他节点的辅助，所以路由协议是自组网络中不可缺少的部分。节点通过路由探测可以获得网络中节点之间的连接关系和链路特性，进而确定路由。

随着定位技术的发展，节点可以直接利用地理位置信息，改善自组网络的路由性能，如可以使节点在寻找路由时避免简单的洪泛；利用相邻节点和目的节点的位置信息，提高路由寻找的效率。在利用地理位置信息的路由协议中，对于特定节点，某些协议假设目的节点及相邻的所有一跳节点的位置都是已知的，某些协议还假设两跳邻近节点的位置也是已知的。其中典型的路由算法有：基于位置辅助路由协议的LAR(Location Aided outing，位置辅助路由)、基于位置信息路由协议的贪婪路由、定向泛洪和分层路由等。利用地理位置信息的路由协议，其前提是如何获得并利用节点位置信息，通常算法是假设根据某个位置信息***，如GPS(Global Positioning System，全球卫星导航与定位***)，网络中的每个节点可以获得自己当前的位置信息(坐标表示)，如DREAM(Distance Routing Effect Algorithm forMobility，远端路由效率移动算法)。利用地理位置信息的路由协议，从不同方面改善了路由协议的性能，但是如何获取准确的地理位置信息，如何减少获取位置信息的开销也是有待研究的关键问题。

网络节点必须明确自身位置才能详细说明在什么位置或区域发生了特定事件，实现对外部目标的定位和追踪。而且节点位置信息还可以用于提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡和网络拓扑的自配置。比如山林防火中，发生火灾处的传感器要准确的报告出失火的位置，及时采取行动，才能阻止火灾蔓延。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制。

现有技术中节点获取地理位置信息的常见方式是利用专用定位***，如GPS。GPS基本的原理是TOA(Times of Arrival，到达时间)，通过测量信号传播时间来测量距离。GPS是目前技术最成熟且已经真正实用的卫星定位***，具备在海、陆、空全方位空间提供实时的三维导航与定位的能力。通过与一个GPS接收机相连，移动节点可以获得当前的地理位置信息。例如在GLCOL(GPS-less Low Cost OutdoorLocalization，弱GPS低成本户外定位)和LSBE(Localization SchemeBased on Events，基于事件的定位原理)算法中，都是假设其中某些节点通过GPS获得位置信息。LSBE算法是利用在WSANs(WirelessSensor and Actor Networks，无线传感器/执行器网络)中的执行节点来解决定位问题。执行节点可以通过GPS获得实时的位置信息，这样就可以作为网络中的参考点，利用平面几何中要确定一个点的位置至少需要三个参考点，通过三个执行节点就可以确定网络中节点的位置。但是目前大多数的移动节点都不具备采用GPS获得地理位置信息的条件，而且相对来说，无论是在成本、体积和电源等方面，采用GPS获得地理位置信息的方法都存在较多的问题。

另外，在WSANs或Ad Hoc Network中，还有许多关于定位的研究，如APIT(Approximate Point-In-Triangulation Test，逼近的内部点三角测量)和DVBS(DV Based Positioning in Ad Hoc Networks，自组网络中基于距离矢量的定位方法)。

其中，APIT算法用来获得近似的位置信息，其算法的理论基础是PIT(Perfect Point-In-Triangulation Test Theory，理想的内部点三角测量原理)：假如存在一个方向，沿着这个方向M点会同时远离或接近A、B、C，那么M位于△ABC外；否则，M位于△ABC内。其中A、B、C为锚节点(anchor)。在APIT算法中，一个目标节点任选三个相邻锚节点，测试自己是否位于所组成的三角形中。使用不同锚节点组合重复测试直到穷尽所有组合或达到所需定位精度。最后计算包括目标节点的所有三角形的交集质心，并以这一点作为目标节点的位置。

DVBS算法基于地标节点(landmark)，采用和APIT类似的方法估算节点的位置。

APIT和DVBS等研究方法为了定位节点，均需要额外增加已知节点位置，以及协助未知节点定位的锚节点，节点不仅要花费大量的能量为所有的锚节点去转发洪泛的定位信息，还需要大量的存储空间去保存所有的锚节点的定位数据，而且还需要较强的计算能力，这增加了网络的硬件负担，同时网络中锚节点的部署也会影响定位的精度。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种确定网络节点相对位置的方法及***，以解决现有技术中通过参考节点位置信息确定网络节点位置信息的缺陷。

本发明实施例提出了一种确定网络节点相对位置的方法，包括以下步骤：

网络节点获取其自身与其他网络节点间的相对距离；

网络节点间交互所述相对距离的信息；

根据所述网络节点间的相对距离确定所述网络节点间的相对位置。

本发明又一实施例提出了确定网络节点相对位置的***，所述***包括：

功率收发单元，用于网络节点传送发送信号到其他的网络节点并从其它网络节点接收向其传送的接收信号，所述发送信号包括传送发送信号的网络节点的发送功率，所述接收信号包括传送接收信号的网络节点的接收功率；

相对距离获取单元，用于根据所述发送功率和所述接收功率获得网络节点间相对距离；

相对位置计算单元，用于根据网络节点间的相对距离，并根据三角定理确定网络节点间的夹角，进一步确定网络节点的相对位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用测量网络节点之间的相对距离的方法来确定网络节点间的相对位置，采用本发明技术方案不需要增加额外硬件条件下，不需要已知参考节点位置信息，从而减轻网络的硬件负担，降低组网难度。

附图说明

图1是本发明一种确定网络节点相对位置的方法第一实施例流程图；

图2是本发明确定网络节点相对位置的方法第二实施例流程图；

图3是本发明应用的一个具体网络结构图；

图4是本发明应用中以网络节点N1为中心一跳范围内所有网络节点的相对位置；

图5是本发明确定网络节点相对位置的方法第三实施例流程图；

图6是本发明一种确定网络节点相对位置的***实施例结构框图；

图7是本发明另一种确定网络节点相对位置的***实施例结构框图。

具体实施方式

本发明一种确定网络节点相对位置的方法实施例，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S101、网络节点获取其自身与其他网络节点间的相对距离。

首先，网络节点接收其他网络节点向其发送的信号，信号中包括其他网络节点的接收功率的信息；然后，根据接收功率得到网络节点间的相对距离。其中，根据接收功率得到网络节点间的相对距离具体包括：预先设置接收功率与网络节点间相对距离的对应关系；根据接收功率及对应关系确定网络节点的相对距离。或，根据接收功率获得网络节点间信号传输的路径损耗；通过路径损耗获取网络节点间的相对距离，其中，根据接收功率获得网络节点间信号传输的路径损耗具体包括：信号中携带网络节点发射功率的信息；利用发射功率减去接收功率，获得网络节点间的路径损耗。

步骤S102、网络节点间交互相对距离的信息。通过网络节点间的消息交互获得包括网络节点在内的相邻网络节点的相对距离。

步骤S103、根据网络节点间的相对距离确定网络节点间的相对位置。利用三角定理以及网络节点的相对距离确定网络节点间的夹角；根据网络节点的相对距离及三角形夹角获得网络节点间的相对位置。

本发明确定网络节点相对位置的方法另一实施例，如图2所示，包括以下步骤：

S201、设一个网络节点为源网络节点，其它网络节点为目标网络节点，首先清空源网络节点列表。

S202、源网络节点向其它目标网络节点广播询问消息，该消息中包括源网络节点发送该询问消息的功率值。

S203、目标网络节点向源网络节点返回确认字符消息ACK，该消息包括目标节点接收到的功率值信息；其中，源网络节点只接收发送询问消息后一定的时间内返回的所有ACK应答消息，超过设定时间返回的ACK消息丢弃掉。

S204、判断该目标网络节点是否在列表中，如果在，则转步骤S205；否则将该目标网络节点添加到列表中，并转步骤S205。

S205、判断确认字符信号ACK是否结束，如果结束，则转步骤S206；否则，转步骤S203。

S206、采用信道损耗模型估算节点间的相对距离。在假定传输信道模型条件下，任意两节点间的正向衰减与反向衰减基本相同，且在链路层的一次通信过程中，信道衰减不会发生剧烈变化，源网络节点通过发射功率减去接收功率，得到路径损耗，再利用自由空间传播损耗模型分别确定源节点与各目标节点的相对距离；同理，利用上述方法也可以确定各个目标节点间的相对距离。然后通过相邻节点间交换距离得到网络节点两两之间的相对距离表。

S207、判断交换信息是否结束，如果结束，则转步骤S208；否则转步骤S206。

S208、根据网络节点两两之间的相对距离表计算网络节点列表内各网络节点的相对位置；例如，对于源网络节点和第一目标网络节点和第二目标网络节点，由于源节点与第一目标网络节点的距离、源节点与第二目标网络节点的距离和第一目标节点与第二目标网络节点的距离已知，利用余弦定理，在已知三个边长的情况下，确定三边的夹角，获得三个顶点的相对位置，即确定第一目标节点和第二目标节点相对于源节点的位置。

S209、判断计算是否结束，如果否，则转步骤S208。

其中，步骤S206中估算节点间的相对距离的方法还可以采用信号强度等级估算模型：假设在自组网络中的所有网络节点都使用同等的功率进行网络节点链路探测条件，在每个网络节点中建立一个接收功率和相对距离的对应关系表。在步骤S202的询问消息和步骤S203的询问响应消息中不需要增加表示功率的参数，在目标节点只需要计算询问消息的到达功率，在源节点计算询问响应消息的到达功率，然后根据预先建立的接收功率与相对距离的映射关系获得节点间的相对距离。

以图3的网络为例对上述具体实施例的实现方法进行具体说明。以源网络节点N1为圆心，N2-N7分别是网络节点N1一跳范围内的目标网络节点。通过在一定的范围内，比如一跳内，交换网络节点的相对距离信息，经过运算得到一个以N1为中心的雷达图，相对距离表示为同心圆，如图3中虚线所示。

网络节点N1首先清空其节点列表，然后广播query(询问)信号。N1通过广播后一段时间内返回的ACK信息发现一跳范围内网络节点信息，即N2、N3、N4、N5、N7和N8为N1的邻居网络节点。并通过N2-N7网络节点返回的ACK信息得到一跳范围内网络节点的相对功率差。

采用信道损耗模型估算网络节点间距离。由于在网络节点间距离很短，尤其接近视距时，功率损耗可以近似为自由空间的路径传播损耗，采用自由空间信道模型，不同实际应用中可以采用不同信道模型，如两径模型、Okumura模型等。根据此模型，可由电波在自由空间的损耗公式：

LS(dB)＝32.45+201gf(MHz)+201gd(km)                (1)

得到当发射信号频率为900MHz时，路径损耗和相对距离的对应关系如表1所示：

表1：

损耗dB	31.5	37.5	41	43.5	45.5	47.1	48.4	49.6	51.5	…
											相对距离m	1	2	3	4	5	6	7	8	10	…

N1查找表1的对应关系，设置表2。表2为根据发射信号与目标网络节点接收信号功率的差值得到和其他网络节点之间的距离表。

表2：

NID	N2	N3	N4	N5	N7	N8
							距离	L12	L13	L14	L15	L17	L18

根据上述源网络节点N1获得表2的原理，N2-N7也可以得到各自和其他网络节点的距离表。其中，N1通过与一跳范围内的网络节点N2-N7交换距离表信息得到距离表如表3所示：

表3：

如N2相对于N1的距离为L21，N2相对于N3的距离为L23，N2相对于N6的距离为L26，这也暗示了N2的邻居网络节点为N1、N3和N6，其他数据依此类推。

然后，计算各个网络节点相对位置。首先，N1任选一个邻居网络节点N2，然后，选择既是N2也是N1的邻居网络节点N3。在以网络节点N1、N2和N3为顶点组成的三角形中，已知三边的边长L23、L13和L12，通过余弦定理：

$\cos B=\frac{a^2+c^2-b^2}{2\mathrm{ac}}---\left(2\right)$

求出N2、N1和N3构成的夹角

，从而确定节点N2、N3相对于N1的位置。同样，以N1和N2或N1和N3为两个顶点，再以任意一个网络节点为另一个顶点组成三角形，可以再确定这个网络节点相对位置。然后，以通过N1和N2的直线或通过N1和N3的直线为基础，求出下一个网络节点的相对位置。以通过N1和N3的直线为基础，选择既是N3也是N1的邻居网络节点，选择N8(N2的位置已经确定)，通过上面的方法，可以得到

。依此类推，可以得到

和

即确定了N1一跳范围内所有邻居网络节点的相对位置。表4为N1得到的相对夹角信息。

表4：

最后由表4确定以节点N1为中心一跳范围内所有网络节点的相对位置，最终结果如图4所示。

上述本发明确定网络节点相对位置的方法第二实施例，通过源网络节点与目标网络节点之间的距离计算及三角关系换算，可最终确定网络节点的相对位置，但同时源网络节点与目标网络节点之间需要交互大量的相对距离信息，其中也包括大量重复、甚至无效的信息，造成空口资源的浪费，也给确定网络节点相对位置带来一定的延时。为改善上述问题，本发明公开一种确定网络节点相对位置的方法第三实施例，如图5所示，包括以下步骤：

S501、源网络节点获取预设范围内的目标网络节点列表，并通过计算得到源网络节点与各目标网络节点的距离信息。

该步骤与上述本发明第二实施例基本相同，首先在需确定相对位置的网络节点中设定一个为源网络节点，其它网络节点为目标网络节点。源网络节点向目标网络节点广播询问消息，并在消息中携带发送的功率值。目标网络节点向源网络节点返回确认字符消息ACK，并在返回消息中携带接收到的功率值信息。其中，源网络节点只接收发送询问消息后一定的时间内返回的所有ACK应答消息，对超过设定时间返回的ACK消息直接丢弃。通过该时间的设定，源网络节点即可以获取特定范围，如一跳范围以内的相邻目标网络节点列表。同时，源网络节点根据该些目标网络节点返回的功率值信息可得到各自对应的相对功率差，进一步采用信道损耗模型可估算出源网络节点与各目标网络节点间的距离。

S502、源网络节点创建三角关系列表，并选择一个相邻目标网络节点，以源网络节点和选定的目标网络节点为顶点，获取与预设范围内其他网络节点构成的三角位置关系。

源网络节点中存储有一跳范围内的网络节点信息，为避免类似本发明第二实施例中网络节点间需交互大量冗余、无效的距离信息，该实施例中，源网络节点可创建一个三角关系列表，用于存储后续通过计算获取的网络节点之间的三角关系。然后，源网络节点继续选取一个相邻目标网络节点并一同作为待计算三角的两个顶点。确定该两个顶点后，选定的目标网络节点即需获取与列表中其他网络节点的距离信息，而对于虽然与该网络节点相邻但不在目标网络节点列表中的网络节点则无需计算距离，从而避免无效的信息交互。在该选定的目标网络节点完成对预设范围内其他所有目标网络节点距离信息的获取后，由于步骤S501中源网络节点已获取其与各目标网络节点的距离，因此通过三角余弦定理即可得出预设范围内包括源网络节点及选定目标网络节点作为两个顶点在内的所有三角形的相对位置关系，获得的三角位置关系以列表形式继续存储在源网络节点中。

S503、源网络节点对目标网络节点进行遍历，依次选定各目标网络节点进行上述步骤S502，并根据三角关系列表判断计算是否重复，如果重复则跳过计算，否则加入三角关系列表中。

步骤S502只能获取满足特定条件的以网络节点为顶点的三角位置关系，为获取预设范围内所有网络节点的相对位置关系，源网络节点还必须对目标网络节点进行遍历，对其中所有的相邻目标网络节点进行如步骤S502中所述的三角关系计算。为避免冗余的信息交互，源网络节点可以根据存储的三角关系列表对待计算的三角位置关系进行判断，如果计算重复则跳过该三角位置关系的计算，否则在计算完成后将该三角位置关系加入列表中。

S504、判断目标网络节点的遍历是否完成，如果是则转步骤S505，否则转步骤S503继续进行目标网络节点的遍历。

S505、结束计算，并根据三角关系列表确定预设范围内所有网络节点的相对位置关系。

源网络节点在对目标网络节点列表中的所有网络节点遍历完成后，即获取了预设范围内以源网络节点为顶点的所有三角位置信息，通过简单的几何计算即可得到该预设范围内所有网络节点的相对位置信息。如图4所示，以N1、N2、N3、N7四个网络节点为例，在分别获取三角形△N1N2N3、△N1N2N7及△N1N3N7的信息后，N1、N2、N3、N7四个网络节点的相对位置关系即可以锁定，依此类推，可以确定预设范围所有目标网络节点的相对位置关系。

上述本发明确定网络节点相对位置的方法第三实施例，源网络节点分别以目标节点列表对距离信息计算进行判断，以三角关系列表对网络节点的三角位置关系计算进行判断，避免网络节点之间的信息交互出现冗余及无效内容，节省了空口资源及确定网络节点相对位置需要的时间。由于上述列表、距离及三角位置信息的获取仍属于节点之间的信息交互，因此该实施例并未脱离本发明的精神，仍应涵盖于本发明的保护范围内。

本发明确定网络节点相对位置的***的一实施例，如图6所示，包括：功率收发单元110、相对距离获取单元120、相对位置计算单元130、相对距离列表单元140和交互单元150。其中，功率收发单元110用于网络节点传送发送信号到其他的网络节点并从其它网络节点接收向其传送的接收信号，发送信号包括传送发送信号的网络节点的发送功率，接收信号包括传送接收信号的网络节点的接收功率；相对距离获取单元120用于根据发送功率和接收功率获得网络节点间相对距离；相对位置计算单元130用于根据网络节点间的相对距离、及根据三角定理确定网络节点间的夹角，进一步确定网络节点的相对位置；相对距离列表单元140用于存储网络节点间相对距离；交互单元150用于网络节点间相对距离的信息的交互。

上述相对距离获取单元120进一步包括：功率比较子单元121和计算子单元122。其中，功率比较子单元121用于根据网络节点的发射功率与接收功率的差值得到路径损耗，该发送功率和接收功率可以通过检测网络节点间的请求消息或响应消息的功率获得；计算子单元122，用于根据路径损耗获得网络节点间相对距离，例如可以通过自由空间信道模型、两径模型或Okumura模型方式获得网络节点间相对距离。

本发明确定网络节点相对位置的***另一实施例，如图7所示，除了相对距离获取单元220与图6中相对距离获取单元120不同外，其它单元结构与图6相同，不再赘述。其中，相对距离获取单元220进一步包括关系列表子单元221和计算子单元222，关系列表子单元221用于存储接收功率与网络节点间相对距离的对应关系；计算子单元222用于根据对应关系获得网络节点间相对距离。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种确定网络节点相对位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

网络节点获取其自身与其他网络节点间的相对距离；

网络节点间交互所述相对距离的信息；

根据所述网络节点间的相对距离确定所述网络节点间的相对位置。

2.如权利要求1所述确定网络节点相对位置的方法，其特征在于，所述网络节点获取其自身与其他网络节点间的相对距离前还包括步骤：

所述网络节点接收其他网络节点向其发送的信号，所述信号中包括其他网络节点的接收功率的信息；

根据所述接收功率得到网络节点间的相对距离。

3.如权利要求2所述确定网络节点相对位置的方法，其特征在于，根据所述接收功率得到网络节点间的相对距离具体包括：

预先设置接收功率与网络节点间相对距离的对应关系；

根据所述接收功率及所述对应关系确定所述网络节点的相对距离。

4.如权利要求2所述确定网络节点相对位置的方法，其特征在于，根据所述接收功率获取网络节点间相对距离具体包括：

根据所述接收功率获得网络节点间信号传输的路径损耗；

通过所述路径损耗获取网络节点间的相对距离。

5.如权利要求4所述确定网络节点相对位置的方法，其特征在于，根据所述接收功率获得网络节点间信号传输的路径损耗具体包括：

所述接收功率的信息中携带网络节点发射功率的信息；

利用所述发射功率减去所述接收功率，获得网络节点间的路径损耗。

6.如权利要求2或3所述确定网络节点相对位置的方法，其特征在于，根据所述相对距离确定网络节点间的相对位置具体包括：

利用三角定理以及网络节点的相对距离确定网络节点间的三角形夹角；

根据所述网络节点的相对距离及所述三角形夹角获得所述网络节点间的相对位置。

7.一种确定网络节点相对位置的***，其特征在于，所述***包括：

功率收发单元，用于网络节点传送发送信号到其他的网络节点并从其它网络节点接收向其传送的接收信号，所述发送信号包括传送发送信号的网络节点的发送功率，所述接收信号包括传送接收信号的网络节点的接收功率；

相对距离获取单元，用于根据所述发送功率和所述接收功率获得网络节点间相对距离；

相对位置计算单元，用于根据网络节点间的相对距离，并根据三角定理确定网络节点间的夹角，进一步确定网络节点的相对位置。

8.如权利要求7所述的确定网络节点相对位置的***，其特征在于，所述相对距离获取单元进一步包括：

功率比较子单元，用于根据网络节点的发射功率与接收功率的差值得到路径损耗；或

关系列表子单元，用于存储接收功率与网络节点间相对距离的对应关系；

计算子单元，用于根据所述路径损耗或所述对应关系获得网络节点间相对距离。

9.如权利要求7所述的确定网络节点相对位置的***，其特征在于，所述***还包括相对距离列表单元，用于存储网络节点间相对距离。

10.如权利要求7或8或9所述的确定网络节点相对位置的***，其特征在于，所述***还包括交互单元，用于网络节点间相对距离的信息的交互。

11.如权利要求7所述确定网络节点相对位置的***，其特征在于，所述发送功率和接收功率通过检测网络节点间的请求消息或响应消息的功率获得。

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