[发明专利]一种基于跳数的无线传感器网络定位求精方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种基于跳数的无线传感器网络定位求精方法，属于无线传感网络节点的定位求精方法。

(二)技术背景：

随着传感器技术、微机电系统(MEMS)技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的发展，使得发展低成本、低功耗、小体积短距离通讯的多功能传感器成为可能，无线传感器网络就是在这些技术之上出现的。无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注。

无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(也称为Sink node)是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信；也可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。

传感器网络节点自身定位作为无线传感器网络的关键支撑技术，对无线传感器网络的应用和基于位置的网络协议研究都有重要意义，没有位置信息的监测消息通常是毫无意义的。例如目标跟踪时，传感器探测出所跟踪的模拟表，需要通过传感器自身的位置来计算目标的位置；火灾报警需要准确的起火地点；战场监控则需提供到底是哪部分区域发现敌方入侵。另一方面，对于基于节点位置的研究，如地理路由在路由表的情况下实施数据转发，具有很好的可扩展性，但前提条件是要求节点的坐标已知。

由于受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，在大中型无线传感器网络中，往往只有少数节点配置GPS接收器，而且不可能人工部署每个节点。因此，必须采用一定的机制与算法解决节点的定位问题。

目前根据定位机制不同，传感器网络定位方法分为基于距离的定位方法和与距离无关的定位方法。

基于距离的定位方法通过测量节点间点到点的距离或角度信息计算出节点位置，这种方法的精度较高，但是对网络的硬件设施也要求较高，并且基于测距技术的定位通常需要多次侧量、循环求精，在获得相对精确的定位结果的同时会产生大量计算和通信开销，所以，这种方法虽然在定位精度较高，但不适用于低功耗、低成本的应用领域。与距离无关的定位方法无需距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现节点的定位，降低了对节点硬件的要求，但定位误差也相应有所增加。

对于无线传感器网络中现有的定位方法通常包括距离(或角度)测量、坐标计算以及可选的循环求精三个阶段。

第一阶段：距离测量

主要有基于达到时间(TOA，即time of arrival)、基于到达时间差(TDOA，即time difference of arrival)、基于角度到达(AOA，即angle of arrival)、基于接收信号强度指示(RSSI，即received signal strength indicator)等。

第二阶段：坐标计算

节点的坐标计算方法主要有三边测量法和极大似然法估计法。

第三阶段：循环求精

根据未知节点的定位方式，循环求精可以分为两种。一种是首先利用相关定位方法得到未知节点初始定位结果，然后将其邻居节点作为参考节点，重新计算未知节点的位置，并将符合限定条件的结果作为未知节点新的位置估计，进入下一次循环过程，直到满足循环停止的条件。另一种为部分未知节点确定自身位置后，将其升级为信标节点，并进入下一次循环，直到所有满足定位条件的未知节点确定位置后定位结束。

循环求精过程中将已定位的未知节点引入到其它未知节点的定位计算中，在一定程度上解决了锚节点数量不足的问题，但是由于节点本身的定位和节点间距离的测量都存在误差，导致误差在循环过程中积累。

(三)发明内容：

本发明的目的是提供一种根据网络节点间的信息交换基于跳数的无线传感器网络定位求精方法，减小循环求精中节点本身的定位误差和节点间距离测量(或计算)误差的积累，提高定位精度。