专利名称：无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法
技术领域：
本发明属于无线传感网络跟踪系统多移动节点定位技术领域，具体涉及一种无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法。
背景技术：
由于能够提供移动目标的实时位置信息，所以追踪系统被广泛应用于医疗、军事以及环境监测等领域，也是是无线传感器网络中最为广泛的应用之一。在基于无线传感网络的移动物体或人员的定位跟踪应用中，该类系统通常包含一定数量的锚节点和移动节点。其中锚节点是系统中已知自身物理位置信息的节点，预先布置于给定的位置，这些节点在系统中通常保持静止。锚节点周期性地发送信号探测包，而移动节点则根据接收到的探测包来计算接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)信息或跳数 (Hop-Count)信息，并利用这些信息进行定位，将定位结果通过多跳路由发送至服务器，由服务器实现对移动节点定位的实时更新。近年来，研究者提出了多个关于解决追踪技术的算法与系统。经典的系统包括 Cricket 系统(参见Ν· B. Priyantha, A. Chakraborty, and H. Balakri-shnan. “The Cricket location-support system", MobiCom ' 00，2000)、 RADAR 系统(:Ρ· Bahl and V. N. Padmanabhan. "RADAR :An In-Building RF-Based User Location and Tracking System”，INFOCOM' 00,2000)等。在Cricket系统中，锚节点同时广播无线电和超声波信号。未知的移动节点在接收到信号后通过计算这两种信号的到达时间差从而可以估计出其到锚节点的距离。如果未知节点接收到3个锚节点的此类信息，它便可以通过三边测量与三点定位法来计算自身的位置。RADAR系统预先收集系统运行环境中多个位置的无线电信号强度信息。在每个周期内，移动节点只需广播一个信息，各锚节点记录收集到的信号强度信息。服务器端将这些信号强度信息与预先收集的经验值进行匹配从而可以判断出移动节点的位置。在这些解决方案中，每个移动节点都需要周期性地报告其位置信息，进而实现了对跟踪系统中移动节点的管理。然而在上述实现方法中，网络的消息复杂度与网络中移动节点数成正比。随着网络规模的增大，过高的消息复杂度将极大地降低无线网络的各项性能，如丢包率、能耗等。 例如在一个三跳的网络中，丢包率随移动节点数目的增加而升高；当大量的移动节点聚集在一跳范围内时，丢包率将更为严重。而高丢包率引发的消息重传通常又会进一步增加网络通信负载和能量消耗，本发明因此而来。
发明内容
本发明目的在于提供一种无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法 (Location Update Mechanism, LUM)，解决了现有技术中多移动节点定位更新时高丢包率、 网络通信负载过大造成能量消耗等问题。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是
—种无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法，其特征在于所述无线传感网络跟踪系统包括若干个已知自身物理位置信息的锚节点和若干个移动节点，所述锚节点周期性地发送信号探测包，所述移动节点根据接收到的信号探测包计算RSSI信息或跳数信息实现移动节点的定位，所述移动节点设置有竞选时钟；所述方法包括以下步骤(1)当移动节点竞选时钟触发时，该移动节点被确定为代理节点；(2)移动节点不断地侦听收集周围节点的RSSI信息，然后通过类Flip-Flop过滤方法平滑处理接收的RSSI信息；(3)代理节点设置判定时钟、具有移动节点加入和离开时的阈值的带状阈值，当移动节点的RSSI信息达到加入阈值时，移动节点在代理节点上进行注册；当移动节点的RSSI 信息达到离开阈值时，通过机会发送方法(Opportunistic Sending Mechanism, 0SM)进行离开代理节点的处理。优选的，所述方法步骤(3)机会发送方法(Opportunistic Sending Mechanism, 0SM)包括以下步骤(I)脱离节点以概率P发送消息；(II)当判定时钟被触发时，统计注销脱离的移动节点数；(III)根据脱离节点数，判断当前的网络状态是少数节点离开还是多数节点离开； 当前的网络状态是少数节点离开时，离开的移动节点成为孤立节点；否则，离开的移动节点将成为候选节点；(IV)候选节点重置一个竞选时钟来选择新的代理节点。优选的，所述方法步骤( 类Flip-Flop过滤方法包括将移动节点的RSSI值按照 (1)公式根据稳定性或灵活性要求进行平滑估计处理E(t) = ω * E(t-l) + (l-co) * 0(t) ； (1)其中，E(t)表示当前t时刻的RSSI平滑估计值；E(t-l)代表上一时刻t_l的RSSI 平滑估计值；0(t)是t时刻的观察值；ω是权重；当稳定性平滑处理结果的连续差异较大时，选用灵活性要求平滑处理的RSSI值。所述灵活性和稳定性要求可以由ω的取值来决定；一般情况下ω = 0. 1表明其平滑处理的灵活性；ω = 0. 9表明其平滑处理的稳定性；当稳定性要求得到的RSSI值之差连续m(优选3)个周期大于3daii或者小于-3daii时，说明其稳定性不足，则选用ω = 0. 1 的RSSI值，重新计算ω = 0. 9的RSSI值。本发明提供一种无线传感网络跟踪系统中基于RSSI的移动节点位置更新辅助机制，其中移动节点(或物体)收集临近锚节点的RSSI信息，然后通过类Flip-Flop过滤器和带状阈值两种预处理机制来选择代理节点，最后通过OSM机制实现对离开代理节点的处理。该方法为移动节点的位置更新提供了一种高效的方法。具体包括代理节点的选择、RSSI信号的平滑处理和移动节点的加入与离开代理节点的处理。移动节点注册利用类Flip-Flop过滤器对移动节点收集的RSSI进行平滑处理。设置加入阈值和离开阈值两个参数(带状阈值)。当接收的RSSI信号超过加入阈值时，就成为该代理节点的成员；当接收的RSSI信号小于离开阈值时，就离开该代理节点。进行移动节点离开代理时，预先设定一个判定时钟I1 ；离开的移动节点以概率P发送消息；当时钟I1触发时，统计脱离节点数；根据脱离节点数，判断当前的网络状态，决定当前网络是少数节点离开(情况1)还是多数节点离开(情况2)；步骤5 如果是情况1， 移动节点成为孤立节点；否则，移动节点成为侯选节点，需要重新选择新的代理节点。相对于现有技术中的方案，本发明的优点是本发明技术方案并没有直接利用原始的不可靠RSSI信息，而是通过类Fl ip-Flop 过滤器对RSSI信号进行预处理，然后设计带状阈值实现加入或离开代理节点。本发明技术方案中移动节点并不需要周期性地向服务器发送其(定位)信息，而是通过代理节点实现对移动节点的管理，从而极大地减少了网络消息复杂度。本发明特别适合于密集移动目标在室内外移动的定位与跟踪应用，如办公室人员定位管理系统、监狱人员实时管理系统和矿工井下作业追踪系统等。由此可见，本发明为本领域的技术进步拓展了空间，实施效果好。本发明一种定位跟踪应用中基于RSSI的移动节点位置更新辅助机制，移动节点不断地侦听周围节点的RSSI信息，然后通过类Flip-Flop过滤器对RSSI信号进行平滑处理，向附近的代理节点进行注册，通过代理实现信息更新；当远离代理时，进行注销，通过 OSM机制实现了对离开代理节点的处理。从而有效减少网络中消息复杂度和能量消耗，提高定位跟踪系统的有效性。为实现对无线网络的移动节点位置更新提供了一种有效的方法。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为通过无线传感网络跟踪系统多移动节点定位辅助方法的主线流程图；图2为现有技术中丢包率与移动节点密度关系图3为原始RSSI和本发明实施例进行平滑处理后RSSI值比较；图4为RSSI和距离的关系；图5为本发明实施例带状阈值预处理机制；图6为本发明实施例与其他方法进行定位时消息数和移动比例之间关系；图7为本发明实施例与其他方法进行定位时能量消耗和移动比例关系。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例如图1，本实施例基于的无线传感网络跟踪系统包括若干个已知自身物理位置信息的锚节点和若干个移动节点，所述锚节点周期性地发送信号探测包，所述移动节点根据接收到的信号探测包计算RSSI信息或跳数信息实现移动节点的定位。移动节点设置有竞选时钟；代理节点设置判定时钟、具有移动节点加入和离开时的阈值的带状阈值。通过无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法，所述方法包括以下步骤(1)当移动节点竞选时钟触发时，该移动节点被确定为代理节点；
(2)移动节点不断地侦听收集周围节点的RSSI信息，然后通过类Flip-Flop过滤方法平滑处理接收的RSSI信息；(3)代理节点设置判定时钟、具有移动节点加入和离开时的阈值的带状阈值，当移动节点的RSSI信息达到加入阈值时，移动节点在代理节点上进行注册；当移动节点的RSSI 信息达到离开阈值时，通过机会发送方法(Opportunistic Sending Mechanism, 0SM)进行离开代理节点的处理。步骤(3)机会发送方法(OpportunisticSending Mechanism, 0SM)包括以下步骤(I)脱离节点以概率P发送消息；(II)当判定时钟被触发时，统计注销脱离的移动节点数；(III)根据脱离节点数，判断当前的网络状态是少数节点离开还是多数节点离开； 当前的网络状态是少数节点离开时，离开的移动节点成为孤立节点；否则，离开的移动节点将成为候选节点；(IV)候选节点重置一个竞选时钟来选择新的代理节点。具体的，首先部分移动节点选举称为代理节点；然后移动节点根据收集的RSSI信号，通过代理节点便可以实现了对移动节点的有效管理，具体包括移动节点的加入(或注
册)管理与离开管理。具体来说，初始时，所有移动节点都处于孤立状态，节点设置一个竞选时钟。当竞选时钟触发时，该节点宣布自己成为代理节点并广播当选消息(Msg_Type_Win，Wirmer_ID， 01dDG_ID)，其它节点在侦听到此类消息后，会记录周围存在的代理节点信息，并执行注册等操作。接下来，移动节点根据接收到的RSSI信息来决定向代理节点进行注册。但由于射频(RF)信号在传播过程中存在衰退效应及多路径干扰，导致了 RSSI信号的波动较大， 需要对其进行平滑处理。图2显示了 MicaZ平台上的RSSI测试结果。为了提高节点管理的稳定性与可靠性，本发明参考文献[Minkyong Kim, Brian Noble, "Mobile network estimation”，Mobicom' 01,2001]提出类Flip-Flop过滤器对信号强度进行预处理。类Flip-Flop过滤器是由两个EWMA过滤器组合而成。EWMA过滤器常用于平滑由噪声导致的信息波动，其表达式如下E(t) = ω * E(t-l) + (l-co) * 0(t) ； (1)其中，E(t)表示当前t时刻的RSSI平滑估计值；E(t-l)代表上一时刻t_l的RSSI 平滑估计值；0(t)是t时刻的观察值；ω是权重。EWMA过滤器在不同ω下的平滑效果如图3所示，由该图可知，不同的ω都能平滑轻度RSSI波动(Section 1)。但是具有较小权值的EWMA不能消除RSSI值的异常部分(Section 2)，而较大权值又存在着延迟较大的问题(Section 3)。为了同时达到合理的平滑效果和延迟，本发明提出了使用两个EWMA的类 Flip-Flop过滤器。类Flip-Flop过滤器有两个独立的EWMA过滤器组成。其中EWMAl过滤器是灵敏的，权值为0. 1 ；另一个EWMA2过滤器是稳定的，权值为0. 9。一般情况下，本发明取EWMA2的值作为平滑结果。但当EWMAl的值与EWMA2的值之差连续m (优选3)个周期大于3dBm或者小于-3daii时，本发明取EWMAl的值为平滑结果并重新开始计算EWMA2的输出结果。这样类Flip-Flop过滤器通过两个EWMA过滤器的切换来保证估计值具有较好的平
6滑度和较小的延迟。通过类Flip-Flop平滑处理后，本发明可以得到相对稳定的RSSI值。图4显示了 RSSI值和距离之间的关系，可以发现RSSI值在 范围内与距离近似成反比关系。在 Da (约3m)的距离范围内，通过RSSI值就足以大概地判断成员节点和代理节点之间的距离。 因此，本发明选择一个小于HiS^Jn (优选_64dBm)的值作为加入代理成员集合的阈值。如果来自代理节点的RSSI值超过了该阈值，节点加入该代理的成员集合。然而在实际追踪场景中，尽管已利用了类Flip-Flop过滤器，在阈值附近的移动节点由于信号不稳定还是会频繁地加入或离开代理节点，从而导致消息复杂度的增加和代理成员集合不稳定。图5显示了一个不稳定代理的场景。为了构建一个稳定的代理成员集合，本发明提出一种区分加入阈值和离开阈值的带状阈值方法。怂(优选_64dBm)和佝(优选-67dBm)分别为加入和离开代理的阈值 (R1 > / 。)。如果来自代理节点的RSSI值超过了风,移动节点就加入该代理成员集合；类似地，如果RSSI值小于i Q,移动节点就离开该代理。这样形成了一个宽度为风-i^的缓冲带来防止代理成员的频繁加入与离开。这样，能够有效地减少节点频繁地加入和离开代理。接下来将重点介绍移动节点离开代理时的管理。在移动过程中，如果原代理节点附近没有节点，那么它将退化成孤立节点。同样，当一些孤立节点聚集在一定范围之内时，新的代理节点就会出现。代理节点状态的频繁变化会极大地增加消息复杂度。因此， 本发明需要高效的方法来维护代理的状态。一般情况下，当一个成员检测到代理节点失效 (RSSIddegat < . )时，它离开该代理成为孤立节点，并发消息通知其代理。在此过程中，两种典型的情况可能会发生小部分成员离开代理节点(情况1)或者是大部分成员离开代理节点(情况2)。显然，按照一般情况处理情况1很有效，但是如果大部分成员都离开代理节点，这种方法会导致消息量急剧增加。为此，本发明提供了机会发送机制(Opportunistic Sen ding Mechanism, OSM)来区分这两种情况。首先定义脱离节点的概念。当一个成员节点检测到来自其代理的消息的RSSI值小于i 。时，它就成为了该代理的脱离节点。机会发送机制OSM的步骤描述如下步骤1 当发现自己是脱离节点时，设置一个判定时钟Ip步骤2 脱离节点在经过一段小的随机延迟(如判定时钟I1的I)之后通过概率P 方法广播一个通知消息(DG_ID，Msg_Type_Inf)表明其状态。DG_ID表示脱离节点离开之前归属的代理节点ID。要实现概率P方法广播，每个脱离节点从集合彳1.2. ..Ljd.}中产生一个随机的正整数RP。时钟第一个触发的脱离节点广播一个消息(DG_ID，Msg_Type_RP，RP)。 其它脱离节点收到这种消息时，比较消息里的和自己的RP。如果不同，则停止本地时钟I115 这样一个脱离节点发送消息的概率是P。步骤3 在判定时钟I1触发之前，脱离节点侦听并用Nim记录来自同一代理成员集合中的节点发出的通知消息。步骤4 当时钟I1触发时，如果ff不超过rN，情况1发生；反之，情况2发生。其中，N是代理成员集合的大小，1^是0.5至1之间的常数。概率P的选择相对复杂。不妨假设在一个更新周期内有χ个移动节点离开，N彡1，那么，Nim = Χ·Ρ0如果.ι; < js’ OSM判断
情况1发生，^ = 4< I。为了能够正确区分，必须保证^^ < KiV诚立。综上，可以得
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7到P的选择公式
权利要求
1.一种无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法，其特征在于所述无线传感网络跟踪系统包括若干个已知自身物理位置信息的锚节点和若干个移动节点，所述锚节点周期性地发送信号探测包，所述移动节点根据接收到的信号探测包计算RSSI信息实现移动节点的定位更新，所述移动节点设置有竞选时钟；所述方法包括以下步骤(1)当移动节点竞选时钟触发时，该移动节点被确定为代理节点；(2)移动节点不断地侦听收集周围节点的RSSI信息，然后通过类Flip-Flop过滤方法平滑处理接收的RSSI信息；(3)代理节点设置判定时钟、具有移动节点加入和离开时的阈值的带状阈值；当移动节点的RSSI信息超过加入阈值时，移动节点在代理节点上进行注册；当移动节点的RSSI信息达到离开阈值时，通过机会发送方法(Opportunistic Sending Mechanism, 0SM)进行离开代理节点的处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(3)机会发送方法 (Opportunistic Sending Mechanism, 0SM)包括以下步骤(I)脱离节点以概率P发送消息；(II)当判定时钟被触发时，统计注销脱离的移动节点数；(III)根据脱离节点数，判断当前的网络状态是少数节点离开还是多数节点离开；当当前的网络状态是少数节点离开时，离开的移动节点成为孤立节点；否则，离开的移动节点将成为候选节点；(IV)候选节点重置一个竞选时钟来选择新的代理节点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法步骤(2)类Flip-Flop过滤方法包括将移动节点的RSSI值按照(1)公式根据稳定性或灵活性要求进行平滑估计处理E(t)= ω*Ε( -1) + (1-ω) *0(t) ；(1)其中，E(t)表示当前t时刻的RSSI平滑估计值；E(t-l)代表上一时刻t-Ι的RSSI平滑估计值；0(t)是t时刻的观察值；ω是权重；当稳定性平滑处理结果的连续差异较大时，选用灵活性要求平滑处理的RSSI值。
全文摘要
本发明公开了一种无线传感网络跟踪系统多移动节点定位更新辅助方法，其特征在于所述无线传感网络跟踪系统包括若干个已知自身物理位置信息的锚节点和若干个移动节点，所述锚节点周期性地发送信号探测包，所述移动节点根据接收到的信号探测包计算RSSI信息或跳数信息实现移动节点的定位，所述移动节点设置有竞选时钟；所述方法包括以下步骤(1)当移动节点竞选时钟触发时，该移动节点被确定为代理节点；(2)移动节点不断地侦听周围节点的RSSI信息，然后通过类Flip-Flop过滤方法平滑处理接收的RSSI信息；(3)代理节点设置判定时钟、加入阈值和离开阈值，当移动节点的RSSI信息超过加入阈值时，移动节点在代理节点上进行注册；当移动节点的RSSI信息小于离开阈值时，通过机会发送方法(OpportunisticSendingMechanism,OSM)进行离开代理节点的处理。
文档编号H04W64/00GK102164409SQ20111007937
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者徐学永, 徐宏力, 肖明军, 霍永凯, 黄刘生 申请人:中国科学技术大学苏州研究院