移動(dòng)無線傳感網(wǎng)抗干擾定位方法研究

包天悅

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在位置檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤和事件預(yù)報(bào)等以節(jié)點(diǎn)位置信息為基礎(chǔ)的應(yīng)用領(lǐng)域中，需要從理論上解決多源干擾情況下的節(jié)點(diǎn)定位問題，提高定位精度、增強(qiáng)定位可靠性，提高傳感網(wǎng)的抗干擾能力。本文分析和研究移動(dòng)傳感網(wǎng)抗容錯(cuò)定位求精方法，介紹了在受干擾與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)雙重作用下參考信息（信標(biāo)、測(cè)距、跳數(shù)等）出現(xiàn)偏差而影響定位的問題的常用算法。本文介紹的這些方法對(duì)于豐富無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論，促進(jìn)移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在位置檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤和事件預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；抗干擾；定位

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0088-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于我省產(chǎn)業(yè)信息化和智能化起著非常重要的作用。如：油田管道監(jiān)測(cè)，礦井地下人員跟蹤監(jiān)測(cè)，森林或湖泊環(huán)境監(jiān)測(cè)，突發(fā)性災(zāi)害的預(yù)警和人員跟蹤等。上述應(yīng)用中，由于受到來自網(wǎng)外和網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的干擾或攻擊，或部分節(jié)點(diǎn)失效，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法定位、定位錯(cuò)誤或定位精度無法滿足要求?，F(xiàn)有的理論與方法不能滿足這方面的需求。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

到目前，國(guó)內(nèi)外已有的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)自定位方法，多以節(jié)點(diǎn)靜態(tài)、理想網(wǎng)絡(luò)為前提，缺乏容錯(cuò)能力。在網(wǎng)絡(luò)非理想和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下，無法實(shí)現(xiàn)高精度的容錯(cuò)實(shí)時(shí)三維定位。對(duì)動(dòng)態(tài)、非理想狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)定位參考信息的容錯(cuò)辨識(shí)能力至今還鮮有研究報(bào)道；對(duì)動(dòng)態(tài)、受情況干擾下的定位問題，近年來有一些分散的研究，具體分析如下。

1.1 針對(duì)節(jié)點(diǎn)受干擾或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的信標(biāo)偏差問題

2014年，Prakruthi等人從理論上分析了當(dāng)惡意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量大于或等于實(shí)驗(yàn)設(shè)定的閾值時(shí)，利用啟發(fā)式算法實(shí)現(xiàn)基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位[1]。

2014年，Mitton等人研究了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下，快速獲取最優(yōu)信標(biāo)軌道實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的算法。通過使用輔助傳感器來修正移動(dòng)信標(biāo)偏差，并利用局部最小生成樹方法快速獲取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[2]。

2015年，Liu等人提出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)情況下的節(jié)點(diǎn)定位策略，基于信標(biāo)移動(dòng)過程可修正虛擬引力模型對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位[3]

1.2 針對(duì)節(jié)點(diǎn)受干擾或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)距偏差問題

2014年，Diao等人利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的初始速度和方向等信息參數(shù)作為測(cè)距偏差補(bǔ)償，結(jié)合未受NLOS影響的測(cè)距信息，通過比例計(jì)算獲取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[4]。

2014年，Chang等人研究了由于錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)引起的測(cè)距偏差情況下的定位問題，并提出一種以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為輔助的錨導(dǎo)向定位機(jī)制[5]。

1.3針對(duì)節(jié)點(diǎn)受干擾或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的跳數(shù)偏差問題

2014年，Wan等人將與網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)相關(guān)的多跳局部密度、多跳距離跳數(shù)等概念引入到傳感網(wǎng)多跳定位模型中，在通過約束方環(huán)交集獲得節(jié)點(diǎn)可行區(qū)域的基礎(chǔ)上，利用輕量級(jí)的網(wǎng)格掃描方法搜索多跳定位模型的最優(yōu)值，這種方法在一定程度上提高了傳感網(wǎng)在不規(guī)則拓?fù)錀l件下的多跳定位性能[6]。

2015年，Hayajneh等人提出一種利用跳數(shù)差異創(chuàng)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全鄰域的方法，建立SECUND（secure neighborhood）協(xié)議，并利用路由跳數(shù)統(tǒng)計(jì)信息的差異來偵測(cè)節(jié)點(diǎn)的可信度，從而確定安全定位區(qū)域的節(jié)點(diǎn)和跳數(shù)[7]。

2 主要算法介紹

2.1 動(dòng)態(tài)量化移動(dòng)模型

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)移動(dòng)路徑具有一定的規(guī)律性，結(jié)合采樣區(qū)域的估計(jì)和移動(dòng)速度的測(cè)量與預(yù)測(cè)，擬建立一個(gè)基于動(dòng)態(tài)量化的粒子群模型。

粒子群模型認(rèn)為時(shí)刻的個(gè)體最優(yōu)位置表示第個(gè)節(jié)點(diǎn)從開始到現(xiàn)在經(jīng)歷過的最佳位置，由以下公式計(jì)算：

其中是適應(yīng)度函數(shù)，代表個(gè)節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻在搜索空間的位置。

部分最優(yōu)位置表示時(shí)刻粒子在其領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)解位置，如下定義：

2.2 不準(zhǔn)確信標(biāo)位置和測(cè)量距離誤差分布規(guī)律

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)主要受到定位模塊硬件精度和環(huán)境高斯白噪聲的影響，通過項(xiàng)目組大量的實(shí)驗(yàn)分析，其位置偏差呈現(xiàn)正態(tài)分布特性，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖1所示。距離測(cè)量誤差分為一跳范圍內(nèi)硬件測(cè)距誤差和多跳范圍內(nèi)折線累積誤差，一跳范圍內(nèi)硬件測(cè)距誤差主要受到高斯白噪聲的影響，多跳范圍內(nèi)折線累積距離誤差主要由多跳估計(jì)距離與真實(shí)距離之間的差值決定，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律服從圖2所示。

2.3 信任度量規(guī)則

按照多信標(biāo)參考信息的一致性和約束性，判斷信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信任級(jí)別與不確定程度。多點(diǎn)測(cè)距的算術(shù)平均可作為信標(biāo)一致性判斷的指標(biāo)，這里

其中，為某信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的參考坐標(biāo)，為其它信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，為信標(biāo)數(shù)量。

信標(biāo)一致性判斷條件：當(dāng)時(shí)，信標(biāo)滿足一致性；反之，時(shí)，信標(biāo)不一致。這里為信標(biāo)的一致性判斷閾值，它與距離估計(jì)誤差相關(guān)。

2.4 基于量化的無損卡爾曼濾波用于安全定位求精

基于量化的無損卡爾曼濾波通過一系列帶有誤差的實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)而得到物理參數(shù)的最佳估算，它根據(jù)前一個(gè)估計(jì)值和最近一個(gè)觀測(cè)值來估計(jì)信號(hào)的當(dāng)前值，無需全部的觀測(cè)值。通過對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)量化，實(shí)現(xiàn)在資源約束條件下的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位。基于量化的無損卡爾曼濾波算法可描述為：

初始化，給定和；

時(shí)間更新方程：

量化方程：

測(cè)量更新方程：

其中

為量化誤差，

為量化誤差的協(xié)方差陣。

3 結(jié)語(yǔ)

上述算法將三維空間中，受干擾情況下移動(dòng)無線傳感網(wǎng)的定位求精問題凝練為多源噪聲情況下的參考信息不準(zhǔn)確問題，通過對(duì)參考信息的分步式處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的安全、有效和高精度定位。這些方法對(duì)于研究和發(fā)展移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的抗干擾定位方法的研究起到關(guān)鍵性作用。

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