[发明专利]基于双速率的水下无线多跳网络节点自定位方法

说明书

技术领域

本发明属于水声通信与水下网络技术领域，涉及水下通信、水下节点定位、水下网络三个领域，具体就是一种基于双速率的水下无线多跳网络节点自定位方法，适用于各种水下无线网络系统。

背景技术

网络节点自定位是水下传感器网络的支撑技术之一，对水下传感器网络应用来说，节点的位置信息非常重要，它可用于标识监测数据源的位置、网络拓扑管理、基于节点位置的路由协议和基于地理位置的数据存储技术等。它是当前海洋开发与海洋技术发展的基础。在现代海洋高技术的不断引入和支持下，水下定位技术在海底环境探测、海洋工程建设、海洋资源开发、海洋科学发展以及国家海洋权益的维护等多方面都将发挥极其重要的作用。

自定位技术是无线传感器网络中一项重要技术，到目前为止，针对自定位问题人们提出了很多算法。根据定位算法是否需要使用邻居节点之间的测距信息，定位算法大致可以分为两类：基于测距(Range-based)的定位算法和免测距(Range-free)的定位算法。

基于测距的定位算法很多，代表性的算法有：三边测量法、三角测量法、极大似然定位法、AHLos算法、Generic Localized Algorithm算法、MDS-Map算法等。三边测量法、三角测量法和极大似然定位法通过测量与多个邻居锚节点(即位置信息已知的节点)的距离或角度信息得到未知节点自身坐标。使用这三种方法运算量不大，定位精度也较高但所需锚节点数较大。在锚节点稀疏的网络中，AHLos算法、GenericLocalized Algorithm算法将定位后的未知节点升级为准锚节点，完成多跳网络内结点自定位。这两种算法解决了锚节点较稀疏时的问题，但由于对多跳未知节点的准锚节点升级使得测距误差与定位误差累积，导致结点自定位精度不高，尤其是在锚节点很少网络直径较大的网络中。MDS-Map算法通过从全局角度生成网络中节点间的距离矩阵，根据距离矩阵给出的节点间的连通信息如邻居节点的测量距离，通过最短路径法粗略地估计未知结点到锚节点之间的距离，进而完成网络结点自定位。为获取网络距离矩阵，该算法存在通信量大的问题，基于距离估计值计算结点定位信息，将导致低的定位精度。

非测距网络结点自定位方法，利用平均单跳距离、未知结点到锚节点的平均跳数等信息以及质心理论，采用一定的距离估计方法估计未知结点到锚节点之间的距离，进而完成结点自定位。一般而言，非测距网络结点自定位方法获得的定位精度要低于基于测距的网络结点自定位方法。

水下无线多跳网络中，GPS无线电信号在水下衰减很快，必须通过其他复杂手段才能获得水下无线传感器网络节点的绝对位置信息，因此锚节点数量不宜过多。为此，如何在锚节点很少的情况下，以低的开销完成每个结点的精确自定位是水下无线多跳网络结点自定位研究的关键。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双速率的水下无线多跳网络结点自定位方法，针对水下无线多跳网络锚节点密度小、带宽与能耗有限，解决现有技术中存在的定位精度低的问题。

本发明的思想在于：

技术方案

一种基于双速率的水下无线多跳网络结点自定位方法，其特征在于：水下无线多跳网络由锚结点和若干普通结点组成，利用低速率传输LM实现无线多跳网络结点间的精确测距，利用高速率传输HM实现网络结点间的其他信息传输；所述锚结点是能够得到其绝对位置信息的网络结点，或无法获得其绝对位置信息但可以作为网络其他结点定位参考的结点；所述普通结点为通过其与锚结点进行通信得到距离信息进而完成自定位的待定位结点；具体步骤如下：

步骤1：锚结点N1采用LM模式在t₀时刻发送hello分组；所述hello分组内包括该分组的类型、发送该hello分组的结点的ID、发送该hello分组的结点的类型、发送该hello分组的时刻等信息；

步骤2：在t_i时刻普通结点i收到该hello分组，i表示普通结点的ID，i＝1，2，3....n-1；依据D_i，N1＝T_proc·v_s计算该普通结点i与锚结点之间的距离，其中T_proc表示声信号在水声信道中的传播时延T_proc＝(t_i-t₀)，v_s表示声波在水中的传播速度；