WSN中錨節(jié)點(diǎn)部署方式對DV—Hop定位精度的研究

謝洪

摘 要：針對WSN中錨節(jié)點(diǎn)部署方式對DV-Hop定位所產(chǎn)生的誤差問題進(jìn)行了研究。通過對錨節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)、正方形、均勻、交叉等不同部署方式對定位誤差所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了仿真、比較和分析，若錨節(jié)點(diǎn)以正方形或均勻的方式部署，其對DV-Hop定位所產(chǎn)生的誤差要比隨機(jī)部署方式更小。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；錨節(jié)點(diǎn)；部署方式；DV-Hop算法；精度；研究

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

節(jié)點(diǎn)位置的信息是無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）能夠?qū)崿F(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位一直是WSN應(yīng)用中被關(guān)注的問題。WSN中的節(jié)點(diǎn)主要由錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)組成，其中錨節(jié)點(diǎn)指少量帶有GPS定位裝置的節(jié)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)精確定位，但未知節(jié)點(diǎn)則需要通過錨節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行自身定位[1，2]。由于錨節(jié)點(diǎn)需加裝GPS設(shè)備，能量消耗高，因此無法廣泛使用。

目前WSN中的節(jié)點(diǎn)定位分為基于測距（Range-Based）和無需測距（Range-Free）兩種算法[3]?；跍y距的算法常用的有RSSI，TOA，TDOA，AOA[4]，這種算法需要測算出相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，再計(jì)算周圍未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)定位的目的；無需測距的算法主要有DV-Hop算法[5]、質(zhì)心算法[6]、 APIT算法[7]，采用這些算法不需要測出節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，而是通過估算來獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置，但估算導(dǎo)致定位存在偏差，需要進(jìn)一步求精后才能獲取準(zhǔn)確位置。

文獻(xiàn)[8]提出把錨節(jié)點(diǎn)通過人工部署為小區(qū)域的內(nèi)切圓方式，以提高節(jié)點(diǎn)定位的精度。文獻(xiàn)[9]分析了WSN部署與能耗的關(guān)系，通過對DV-Hop算法進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，錨節(jié)點(diǎn)位置的不規(guī)則放置會對定位誤差產(chǎn)生較大影響，在一定的WSN范圍內(nèi)使用DV-Hop定位，可以通過錨節(jié)點(diǎn)規(guī)則性的部署來提高定位的有效性，從而降低傳感器定位誤差。

1 DV-Hop算法及誤差分析

1.1 DV-Hop定位算法

DV-Hop算法的步驟如下：

（1）錨節(jié)點(diǎn)向周邊的未知節(jié)點(diǎn)廣播信息，信息包中含有初始化為零的最小跳數(shù)項(xiàng)。未知節(jié)點(diǎn)收到信息包后，對最小跳數(shù)項(xiàng)加1再把整個信息包轉(zhuǎn)發(fā)給下一個節(jié)點(diǎn)。

（2）錨節(jié)點(diǎn)收到其他錨節(jié)點(diǎn)的信息和跳數(shù)后，按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，估算平均每跳的距離。

1.2 DV-Hop算法誤差

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，對于所有未知節(jié)點(diǎn)均使用跳數(shù)與校正值的乘積來表示距離，計(jì)算出的估計(jì)距離與真實(shí)距離存在很大偏差。有些文獻(xiàn)提出引用各種迭代算法求出最接近真實(shí)值的未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，使得定位誤差最小[10]。但迭代法的引入會增加定位的計(jì)算量，并增加WSN的能耗。

存在較大誤差的原因是錨節(jié)點(diǎn)位置的不規(guī)則放置，導(dǎo)致未知節(jié)點(diǎn)離錨很近或很遠(yuǎn)，從而加大了估算誤差。

2.2 仿真過程

（1）設(shè)定好通信半徑及總節(jié)點(diǎn)數(shù)，且隨機(jī)產(chǎn)生12個錨節(jié)點(diǎn)及剩余的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。

（2）使用DV-Hop算法對每個未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差。

（3）分別使用表2所列的正方形部署、均勻部署、交叉部署坐標(biāo)代替第（1）步隨機(jī)產(chǎn)生的12個錨節(jié)點(diǎn)，重復(fù)進(jìn)行第（2）步的運(yùn)算。

（4）以上（1）～（3）過程重復(fù)50次，計(jì)算出各未知節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差。

（5）分別改變通信半徑及總節(jié)點(diǎn)數(shù)，重新計(jì)算第（4）步，得出仿真結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 節(jié)點(diǎn)通信半徑對定位精度的影響

當(dāng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為200時，在不同的節(jié)點(diǎn)通信半徑下，隨機(jī)、正方形、均勻、交叉部署方式對平均定位誤差影響變化曲線如圖5所示。從圖中可以得知：

（1）通信半徑越大，定位誤差越小。

（2）在較小的通信半徑下，以正方形或均勻方式部署，其定位誤差較小，比以隨機(jī)部署方式的定位精度更高。

（3）當(dāng)通信半徑大于整個WSN區(qū)域長度的30%時，不同的部署方式將對DV-Hop算法定位誤差產(chǎn)生較小影響。

3.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)量對定位精度的影響

由圖5可知，當(dāng)通信半徑足夠大時，不同的部署方式對平均誤差影響較小。當(dāng)通信半徑R=25和R=30時，不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)采用隨機(jī)、正方形、均勻、交叉等部署方式，其平均定位誤差變化曲線分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7中可以得知：

（1）以正方形、均勻和交叉等方式部署，其定位誤差要比隨機(jī)部署方式更小，而且定位誤差與節(jié)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系不大。

（2）采用隨機(jī)部署方式時節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多定位誤差越精確。

4 結(jié) 語

通過對隨機(jī)、正方形、均勻、交叉等不同部署方式對DV-Hop定位所產(chǎn)生的誤差結(jié)果進(jìn)行比較、分析可知，采用正方形、均勻等部署方式能減少定位誤差，有助于改善DV-Hop定位算法的性能。同時，如果通信半徑大于覆蓋范圍的30%時，DV-Hop定位算法的定位誤差更小。文中的研究結(jié)果對實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Akyildiz I，Su W，Sankarasubramaniam Y，et，al.A survey on snesor network[J].IEEE Communications Magazine，2002，40（8）：102-144.

[2]王康，王峰，蔣馥珍.基于分跳跳距和粒子群優(yōu)化算法的DV—Hop定位算法改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（3）：810-812.

[3] Niculescu D，Nath B.DV-based positioning in adhoc network[J].Telecommunication Systems，2003，22（1）：267-280

[4]姚汝賢，王曉涓.基于測距和自學(xué)習(xí)粒子群算法的WSN節(jié)點(diǎn)定位[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，32（1）：111-115.

[5]劉杰，董淑福，溫東.一種基于Dv-hop的改進(jìn)定位算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（24）：6059-6063.

[6]嚴(yán)雨霞，馮友兵，孫小想.基于移動錨節(jié)點(diǎn)的WSN加權(quán)質(zhì)心定位方法研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（10）：20-22.

[7]吳棟，紀(jì)志成，張彪.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)APIT定位算法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2015，27（12）：2965-2972

[8]趙建平，馬淑麗，劉鳳霞，等.WSN中一種新的錨節(jié)點(diǎn)分布方式[J].通信技術(shù)，2015，48（8）：926-933.

[9]胡青松，吳立新，張申，等.煤礦工作面定位WSN的部署與能耗分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，43（2）：351-355.

[10]李道全，劉月月，孫付龍.基于DV-Hop的WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（4）：303-306.

[11]李牧東，熊偉，郭龍.基于人工蜂群算法的DV-Hop定位改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)， 2013，40（1）：33-36.