[发明专利]基于结构风险最小化的无线多跳非测距定位方法

说明书

本发明提供一种基于结构风险最小化的无线多跳非测距定位方法，包括初始化阶段、构建跳数—距离最优映射模型和位置估计阶段，使用距离矢量路由交换协议，在节点通信一段时间后，使网络中所有节点获得与参考节点之间的最短跳数和物理距离，构建跳数—距离最优映射模型，利用未知节点到参考节点的跳数在映射模型指引下获取相应物理距离；最后通过三边法获取未知节点的估计位置。本发明采用风险结构最小化构建跳数—距离映射模型，利用结构风险最小化的置信范围约束了经验风险，计算过程不存在为零的结果，从而避免了在较小分区或邻域中参考节点间位置关系存在共线性的问题。

技术领域

本发明涉及一种基于结构风险最小化的无线多跳非测距定位方法。

背景技术

随着移动设备的普及，基于无线网络的应用愈来愈多，而在许多无线应用中，节点的位置信息常常是其他基于无线网络应用的先决条件。例如：在污水排放的无线监测和城市燃气管道的无线监测中，当有事件发生时，监测人员关心的首要问题就是突然发生的紧急事件发生在哪里，只有确切的知道突发生的具体位置，这样的监测才有实际意义，才可以迅速解决突发问题。对于无线监测的信息和位置的关系，有文献统计发现，约80％的无线监测信息和位置有关。

在大多数无线监测应用中，无线网络节点是通过机器随机地部署到监测区域中。节点的位置信息可以通过设备自身携带GPS或人工标定的方法可获取事件发生的位置信息。由于受到部署环境、费用等限制，全部节点加装GPS芯片或人工设定往往不可行，因而在监测区域，仅少部分节点实现知道自身位置，而大多数节点事先并不知道自身具体的位置信息。为了使未知节点在仅有少量已知位置节点情况下获取全局位置信息，需要通过一定的方法、算法进行位置估计。经过多年的发展，科研人员提出了众多的无线节点的位置估计策略和方法，依据定位过程中是否用到测量技术，无线网络定位技术一般可以粗略的被分为：基于测距技术的无线定位和非测距技术的无线定位。基于测距定位通过物理电磁信号测量获得无线节点间距离(角度)信息。在获取距离(角度)学习后，未知节点可采用三边测量、三角测量或极大似然估计来估计其位置。一般基于测距的无线定位方法精度相对较高，但定位性能严重依赖物理测量本身的精度。

为了保证距离测量精度，往往对测量硬件要求苛刻，使得费用变得高昂甚至难以接受，从而导致基于测距方式的定位不适合大规模的无线应用。为减小硬件费用的开销，在大规模的无线网络定位中多采用与测距无关的方法来估计节点位置。非测距定位方法利用无线网络天生具有的自组织的特性，即无线网络数据是通过多跳传播的方式进行数据传递，因而在没有测距硬件的情况下，利用跳数也可以来刻画或近似表示无线网络节点间的物理距离。然而，在实际应用中非测距定位技术性能仍然受到诸多技术难题困扰，其中最致命的是非测距定位仅能在节点密度高且分布均匀的各向同性网络取得较理想的定位结果，而在节点分布不均、部署不规则的各项异性网络下，定位效果极差，甚至定位结果不可用。

基于非测距的定位方法大多数是通过节点之间的连接关系来获得节点间的跳数，进而来估计节点的位置。因此，非测距方法不需要节点间的距离和方向信息，使得其适合大规模的无线网络应用。将跳数转变为近似物理距离的方法有很多种，在目前最为著名的有：DV-hop方法、Amorphous方法和PDM方法。

其中，DV-hop方法和Amorphous方法都是基于跳数的算法，它们获得较为精确的位置估计都是假设网络节点拓扑为各向同性，即部署区域规则、节点间视距传播且分布均匀。然而不幸的是，实际网络往往由于随机的布撒、障碍物的遮挡等原因造成部署区域不规则、节点分布不均匀。如图1所示，在图1a中，节点A到节点B，C，D的物理距离相同，而它们之间的跳数分别是5，4，3；又如在图1b中，节点A到节点B的直线物理距离非常短，因为遮挡物的原因造成部署的不规则使得节点A到节点B的跳数很长。这些问题都造成最小跳数与真实物理距离之间的偏差。