一种未知节点利用多跳锚点邻居对其自身进行定位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络技术领域，特别是一种在无线网络中未知节点利用其多跳锚 点邻居对其自身进行定位的方法。
【背景技术】
[0002] 无线网和传感网在机场中的应用非常普遍，这些应用对位置信息的依赖也越来越 严重，因此依托于这类网络的定位方法一直很受重视。目前，一般把无线传感器网络的节 点定位算法分为两类：一类是基于测量距离（range-based)的定位方法；另一种是非测距 (range-free)的定位方法。基于测距的定位方法虽然定位精度高，但一般需要专门的硬件 来实现对节点间的距离或角度的测量，成本较高；而非测距定位方法虽然定位精度有限，但 由于不需要额外的硬件支撑，因此成本较低。由于不同的应用对定位精度有不同的要求， 非测距定位算法能够满足很多应用系统对定位精度的要求，且其成本最低，因此这类算法 越来越受到青睐。然而，现有非测距定位算法的定位精度都很有限，比如：Bounding-Box、 DV-HOP、APIT、SOM等等，它们的定位精度都不高，这限制了这些方法在实际系统中的应用。
[0003]在 2002 年由Simic提出的Bounding-Box算法（SimicS.，andSastryS.: 'Distributedlocalizationinwirelessadhocnetworks' ，UCBerkeley,Tech. R印.，UCB/ERLM02/26，2002)属于非测距算法，通过求未知节点的直接锚点邻居的辐射 范围的交集实现了对未知节点的定位。它首先将未知节点的直接锚点邻居的辐射范围简化 为一个正方形，然后求出未知节点的所有直接锚点邻居的正方形辐射范围的重叠区域，并 将重叠区域的中心作为未知节点的位置。Bounding-Box算法简化了定位计算，但是它的定 位精度和定位覆盖率都不高。
[0004]DV-hop算法是Niculescu于2003年提出的非测距定位算法（NiculescuD.and NathB. :'DVbasedpositioninginadhocnetworks'Telecommun.Syst., 2003, 22, (1-4)，pp. 267-280)。该算法由3个阶段组成：首先，通过邻居发现算法让每个锚节点获 得除自己以外的其他每一个锚节点距离自己的跳数，并让每个未知节点获得每一个锚节点 距离自己的跳数；其次，每个锚节点分别计算除自己以外的其他每一个锚节点到自己的平 均每跳距离，并将该信息发送给它周边的未知节点，未知节点则以距离自己的跳数最少且 最先收到消息的锚点计算所得的平均每跳距离作为各锚点到自己的平均每跳距离，并乘以 相应的跳数得到各锚点距离自己的估计距离；最后使用三边测量法确定节点的位置。该方 法的定位覆盖率得到了较大提高，但该方法所达到的定位精度也不高，应用范围有限。
[0005]APIT算法是Tian在2003年提出的非测距定位算法，并于2005年发表在ACM Trans.Embed.Comput.Syst上（HeT. ,HuangC. ,BlumB.M. ,Stankovic,J.A. ,and Abdelzaher,T.F. :'Rangefreelocalizationanditsimpactonlargescalesensor networks'，ACMTrans.EmbedComput.Syst. , 2005, 4, (4),pp. 877-906.)。该算法 首先收集未知节点所有邻居锚节点的信息，然后测试未知节点是否位于不同的三个锚节点 组成的三角形内，计算所有包含该未知节点的三角形的重叠区域，最后用该区域的质心作 为未知节点的坐标。该方法获得了较高的精度，但是其定位覆盖率有限。尤其对于那些不 在任何由三个锚点组成的三角形内的未知节点，该方法无法定位。
[0006]S0M算法（Giorgetti,G.，Gupta,S.K.，andManes,G. : 'Wireless localizationusingselforganizingmaps,.Inti.Conf.onInformationprocessing insensornetworks, (IPSN),Cambridge,MA,USA,Aptil, 2007))是Giorgetti在 2007年提出的非测距定位算法。该算法利用全网络的节点间的跳数关系，并通过机器学习 的方法实现了对节点的位置估计。该方法提高了定位覆盖率，且其定位精度也有大幅提升， 但依然无法满足一些需要较高定位精度的应用，且该方法需要集中计算，通信开销和计算 开销都较大。
[0007] 综上，BoundingBox，DV-H0P，APIT等方法定位精度都不高且定位覆盖率也不能 满足应用需要，S0M的定位覆盖率虽然有提高，但不能实现分布式计算，且由于需要收集全 网络节点间的跳数关系，通信量大，计算复杂。
[0008] 在民航领域，各种无线网的应用非常普及，许多应用需要较高精度的位置信息，但 又不必花费专门硬件去实现精确定位，这就为无须任何辅助定位设备的适用于固定或者移 动终端定位的非测距定位方法提供了广阔的应用空间。本发明正是在这样一种应用和需求 背景下提出的。
【发明内容】
[0009] 本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种在无线网络中未知节点 利用其多跳锚点邻居对其自身进行定位的方法，特别适用于无线传感器网络节点定位，不 需要额外的硬件支持，可以较大幅度地提高定位精度和定位覆盖率。
[0010] 本发明将实际场景中部署的节点分为两类：一类是锚点，即已知自身位置坐标的 节点，比如：带有GPS的节点，标记为為-JMU^ ;另一类是未知节点，即不知道自身位置 坐标的节点，标记为，它们需要借助于某种定位方法来实现对自身的定位。本发 明所指节点包含锚点(锚节点）和未知节点。
[0011] 本发明还给出了虚拟辐射范围(缩写为VRR其值表示为1(4))的定义：某个锚 点為-相对于某个未知节点R的虚拟辐射范围是这样一个圆范围--该圆的中心坐标就是 為-所在的位置坐标，该圆的半径是kR。其中k是為-到珥的跳数，R是所有节点的实际辐射 半径的最大值，通常所有节点(包括锚点和未知节点）的实际辐射半径取相同值。
[0012] 锚点的虚拟辐射范围是一个相对的概念，锚点只有相对于某个未知节点才具有虚 拟辐射范围。对于不同的未知节点而言，同一锚点的虚拟辐射范围可能是不同的。此外，当 某锚点是某未知节点的一跳邻居时，则该锚点相对于该未知节点的虚拟辐射范围就是其实 际辐射范围。
[0013] 概括地说，本发明方法通过引入未知节点Ui的n跳锚点邻居~相对于该未知节点 的虚拟辐射范围，从而将定位问题转化为求该未知节点的所有n跳锚点邻居相对于该未知 节点的虚拟辐射范围的交叠区域的问题；这个交叠区域就是M在当前时刻只可能出现的 可能位置区域(缩写为PLA)，当前时刻M不可能出现在该区域以外的地方。该可能位置区 域可以表示为其值表示为?。最后求出交叠区域的质心坐标作为 该未知节点的估计位置。
[0014] 本发明的方法具体如下： 一种未知节点利用其多跳锚点邻居对其自身进行定位的方法，包括如下步骤： 步骤一、通过邻居发现技术，未知节点收集距离自己n跳以内的全部锚点邻居的位置 信息以及跳数信息k(1 <k<n)，并确定这些锚点邻居相对于自己的虚拟辐射范围。
[0015] 步骤二、未知节点将整个网络区域作为自己的初始可能位置区域。
[0016] 步骤三、未知节点从小跳数到大跳数依次遍历自己的所有锚点邻居，分别求出这 些锚点邻居相对于自己的虚拟辐射范围与自己的当前可能位置区域的交叠区域作为自己 的更新的可能位置区域。
[0017] 步骤四、未知节点计算自己最后得到的可能位置区域的质心坐标，并以该质心坐 标作为自己的估计位置。
[0018] 求未知节点的可能位置区域的第一种优选方法：当未知节点功能较弱时，比如： 采用类似8051的普通单片机，未知节点将把距离自己k跳的锚点邻居相对于自己的虚拟辐 射范围设定为以该锚点邻居所在处为中心、边长为2kR的正方形区域，该正方形区域的边 与x轴或y轴平行。则最后得到的该未知节点的可能位置区域为其所有锚点邻居相对于自 己的虚拟辐射范围（为正方形区域）的交叠区域。其中，R为所有节点的真实辐射范围的半 径的最大值。
[0019] 求未知节点的可能位置区域的第二种优选方法：当未知节点的计算能力较强时， 比如采用16位或32位单片机时，则先将整个无线网络区域划分成密集的网格并给每个网 格赋予一个唯一编号，未知节点的每个锚点邻居相对于自己的虚拟辐射范围与自己的当前 可能位置区域的交叠区域就是自己的更新的可能位置区域。则最后得到的该未知节点I的 可能位置区域为在其每个锚点邻居相对于自己的虚拟辐射范围内都出现过的网格的集合。
[0020] 求未知节点的可能位置区域的第三种优选方法：当未知节点采用功能强大的处理 器时，比如ARM类型的处理器，当所述锚点邻居相对于该未知节点的跳数为k时，则将这些 锚点邻居相对于该未知节点的虚拟辐射范围设为半径为kR的圆范围，圆心为这些锚点所 在的位置坐标，R是所有节点的真实辐射范围的半径的最大值。则最后所得的未知节点的 可能位置区域为若干条圆弧所围成的凸多边形区域，将该凸多边形区域中每条圆弧的两个 端点直接相连，从而形成一个凸多边形。这种求未知节点的可能位置区域的方法虽然舍弃 了部分扇形区域，但该方法的估计误差相对较低，因为它只在最后一步进行了合理的舍弃， 并不影响之前的精确计算。
[0021] 优选其中一种求未知节点估计位置的方法：取未知节点最后得到的可能位置区域 的所有顶点的X轴坐标的平均值