[发明专利]一种基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络分布式定位方法。

背景技术

无线传感器网络，作为物联网的核心技术之一，被赞誉为未来改变人类生活的十大支撑技术之一。自从无线传感器网络被广泛关注开始，其定位技术一直是理论研究的焦点问题。近年来，国内外学者提出多种无线传感器网络中心式或分布式定位算法，但其基本上是针对未知节点（网络中待测其位置的节点）主动定位的情况设计的。

无线传感器网络是由大量具有数据采集、数据处理和无线数据收发等功能的节点所组成的通信网络。典型的无线传感器网络工作方式是将大量的无线传感器节点布置或抛洒在感兴趣的区域，无线传感器节点通过自组织的方式快速形成一个无线网络。每个传感器节点都有自己通信区域并且通过感知设备来检测周围环境的温度、湿度抑或频谱等信息，同时也可以配备通信设备与相邻节点进行短距离通信。

基于上述无线传感器网络的自身特点，传感器节点的工作区域通常为诸如军事侦察、路况检测等人类不易进入的区域，而且对于像灾后重建、气候监测等传感器网络的典型应用环境，传感器节点通常通过飞机抛洒等手段被置于工作区域，因而它们的位置都是随机而未知的。然而在许多应用中，节点所采集的数据必须结合它所处的坐标位置才有意义，因而对于无线传感器网络未知节点的定位技术的研究具有重要的意义。

通过基于两个信号到达节点的时间差而完成测量从而进行定位的方法叫做到达时间差定位(Time Difference of Arrival,TDOA)。TDOA是一种被广泛采用的定位方法，目前被多种定位硬件平台确定为首选定位方法。TDOA定位技术在蜂窝定位系统、WCDMA技术、无线测距雷达、路基多点定位等无线定位系统中有着非常广泛的应用，并且已有研究人员开始尝试将其扩展到无线传感器网络的定位应用中。但是目前在无线传感器网络定位应用之中，TDOA算法存在着定位精度较低，定位性能较差的问题。而且，目前TDOA算法一般都被用来实现未知节点的自身主动定位，尚未将其扩展应用于类似军事精确打击或非法接入频谱电台监测等无线传感器网络典型工作环境所需的分布式被动定位领域。

由于无线传感器节点有限的通信能力、数据处理能力和设备可靠性，无线传感器网络中的节点通常都采用密集放置的方式。由于节点密度较高，因此地理位置上临近的节点所采集的数据通常具有较大的冗余。如果能在数据传输过程中将这些数据进行融合、压缩，就可以显著减小后续传输过程中的分组数量和分组尺寸，从而提高网络容量并降低节点的能量消耗。因此关于无线传感器网络中的数据压缩和有效传输手段的研究就成为了一个研究热点。在这种背景下，诞生了可应用于无线传感器网络分布式共识的Gossip算法。该算法中的每个节点随机地和它选定的某个（或某组）相邻节点交换数据，然后这两个（或该组）节点分别利用凸合并算法合并这些数据，并用新的数据替换掉自己原有的数据。

Gossip算法最早在1984年由Tsitsiklis等人首次提出，该算法仅利用网络节点的本地信息与它的邻居节点的信息进行数据交换，解决了分布条件下的平均共识问题。在无线传感器网络中研究最早、研究成果最成熟并且应用最普遍的是成对Gossip算法。目前，基于Gossip算法的平均共识问题在无线传感器网络中的应用更是研究的热点。与传统的路由算法不同，Gossip路由算法强调通过节点的本地信息与邻居节点进行数据交换的方式来进行数据更新，我们把一次数据更新过程称为一次迭代过程。由于在迭代过程中，只涉及到一跳邻居节点信息和本地信息的交换，所以基于Gossip的网络并不需要传统路由算法的路由建立过程和维护过程，也没有数据的转发过程，这就大大降低了网络的能量消耗、延长了网络节点的生存期。同时Gossip算法是一种随机路由算法，避免了网络中因信道竞争造成的“丢包”和网络阻塞等问题。并且，整个网络中所有的节点地位对等，没有所谓的“中心节点”，也避免了瓶颈效应的存在。所以Gossip算法是对无线传感器网络中分布式平均共识问题的良好解决方案，因而可以想象Gossip算法也一定同样适用于无线传感器网络分布式定位这一典型的分布式问题。

综上所述，目前广泛使用的单纯TDOA定位方法虽然在无线移动通信网络中性能十分优良，但是在无线传感器网络中的应用依然存在定位精度较低、定位性能有限等问题。而且对于如何在由无线传感器网络的特点所决定的分布式被动定位问题中使用，目前也是一个研究盲点，特别是如何完成类似军事上对于入侵未知节点进行高精度打击，或是对于非法接入频谱的未知无线电台进行精确定位等特殊工程应用问题，也急需研究人员提出切实方案。

发明内容