[发明专利]一种改进的无线传感器网络质心定位算法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络定位算法，具体涉及一种改进的无线传感器网络 质心定位算法。

背景技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是由许多细小、低成本、 资源有限、能够感受外界特性的无线传感器组成。得益于集成电路和无线通信技 术的发展，WSN的应用越来越广泛，它可用于环境监测，灾害预警，目标追踪， 军事侦察等方面。在这些用途中，传感器节点的位置信息是非常有用或必不可少 的。受条件限制，不能给每个节点安装GPS或人工部署，所以利用某些位置已知 的节点去定位位置未知的节点是WSN定位中研究的重点。

根据定位中是否用到距离测量技术，WSN定位分为测距定位和非测距定位。 测距定位需要测量节点间的距离或角度信息，定位精度较高，但测距设备较贵， 能耗较大；非测距定位只利用节点间的连通信息，不需要特殊的测距设备，但定 位精度较低。

质点弹簧模型通常被用于WSN的测距定位，它将传感器节点视为有一定质量 的质点，节点间用虚拟的弹簧相连，节点在弹簧力的作用下进行移动。它充分利 用了节点间的协作进行定位，可以很好地克服测距误差带来的定位误差，所以被 大量用于粗定位后的优化过程。近年来，质点弹簧模型也被引入到非测距定位， 如质点弹簧模型和DV-Hop相结合的定位算法。

发明内容

本发明的目的是在非测距的情况下，利用质点弹簧模型对质心算法粗定位后 的结果进行迭代求精，以提高定位精度。

本发明的技术方案是：首先，利用质心算法进行粗定位；然后，为了降低对 锚节点数量或通信半径的要求，有邻居锚节点的未知节点只利用邻居锚节点进行 定位，没有邻居锚节点的未知节点利用已经定位的邻居未知节点进行定位；最后， 通过节点的估计位置计算节点到邻居节点的估计距离，再以节点到所有邻居节点 估计距离的平均值作为质点弹簧模型中弹簧的平衡长度，从而通过质点弹簧模型 尽量使节点到所有邻居节点的距离相等，减小定位误差。

本发明的方法步骤如下：

1.锚节点首先通过GPS或者人工配置获得自身位置，然后向外广播自身位 置；

2.如果未知节点接收到了锚节点的位置信息，则取所有接收到的锚节点位置 的质心作为自身的估计位置，并向外广播自身的估计位置，如果未知节点没有接 收到任何锚节点的位置信息，则取所有接收到的未知节点估计位置的质心作为自 身的估计位置；

3.未知节点根据自身的估计位置和接收到的锚节点位置以及接收到的未知 节点的估计位置，计算到邻居锚节点和未知节点的距离，以此作为质点弹簧模 型中该未知节点到邻居节点的弹簧实际长度，并取这些距离的平均值作为质点弹 簧模型中该未知节点到邻居节点的弹簧平衡长度；

4.利用质点弹簧模型中弹簧的实际长度和平衡长度的差值对未知节点的估 计位置进行修正。

上述步骤1中，锚节点的位置可以是真实的地理位置或者虚拟的相对位置， 锚节点每隔一段时间向外广播带有自身ID和位置的信标，时间间隔可以根据功 耗的要求和定位反应速度的要求去改变。

上述步骤2中，对于未知节点是否成功收到某个节点位置信息的判定，在于 单位时间内是否收到了这个节点某个数量以上的信标，以增加定位的稳定性。

上述步骤3中，有邻居锚节点的未知节点只利用邻居锚节点进行定位，没有 邻居锚节点的未知节点利用已经定位的邻居未知节点进行定位，以降低对锚节点 数量的要求和提高节点定位的成功率。

上述步骤4具体为：(a)未知节点到邻居节点的虚拟弹簧因实际长度偏离平 衡长度而对该未知节点产生力的作用，根据邻居节点是锚节点还是未知节点，使 用不同的系数将偏移量转换为作用力；(b)计算所有邻居节点对该未知节点的合 力；(c)利用一个自适应系数将合力转换为未知节点的位置偏移量，这个自适应 系数与邻居节点的数量成反比，且当未知节点偏移后与其连接的所有弹簧的势能 变小时，该系数增大，反之，则减小；(d)重复以上过程，直到达到指定的次数。

本发明使用复杂度低、通信开销小的质心算法进行粗定位，然后利用改进的 质点弹簧模型进行优化，使质心算法定位后成簇聚集的节点分散开来并趋近实际 位置，可以很好地提高定位精度。

附图说明

图1为质点弹簧模型图。

图2为具体实施方案的流程图。