非測(cè)距無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究

張水鋒1， 程 慶 2 ，陳帥1 1.淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院 2.淮南師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院

非測(cè)距無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究

張水鋒1， 程 慶 2 ，陳帥1 1.淮南師范學(xué)院電子工程學(xué)院 2.淮南師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院

本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的原理及分類，闡述了非測(cè)距WSN算法中的質(zhì)心算法的原理、DV-HOP算法的原理、APIT算法原理以及Amorphous 算法原理。同時(shí)對(duì)質(zhì)心算法和DV-HOP算法進(jìn)行了matlab仿真，并分析了非測(cè)距算法定位的誤差。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位 非測(cè)距 質(zhì)心算法 DV-HOP算法

由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域里的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)。它是目前科技的前沿研究領(lǐng)域，具有高度集成和高度交叉的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警、基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工業(yè)領(lǐng)域、智能交通、醫(yī)療系統(tǒng)以及信息家電設(shè)備等領(lǐng)域。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位原理及分類

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本功能是節(jié)點(diǎn)的定位，它對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位起著至關(guān)重要的主要。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位根據(jù)是否需要測(cè)量距離，可以分為測(cè)距定位算法和非測(cè)距定位算法。測(cè)距定位算法是要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或者角度信息，然后使用三邊測(cè)量、三角測(cè)量或者最大似然估計(jì)定位算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間定位。而非測(cè)距定位算法，不需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，通過(guò)一些其他信息實(shí)現(xiàn)定位。測(cè)距定位算法主要包括RSSI、TOA、TDOA和AOAO等算法，非測(cè)距定位算法主要包括質(zhì)心算法、DV-HOP算法、Amorphous 算法和 APIT 算法等。

2 非測(cè)距WSN定位算法原理

非測(cè)距的定位算法由于對(duì)硬件的要求比較低，得到了廣泛的使用。非測(cè)距的算法主要有四種，算法原理如下。

質(zhì)心算法是利用節(jié)點(diǎn)之間的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系估算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。DV-Hop(Distance Vector-Hop)定位算法的執(zhí)行過(guò)程為：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信息，該信息包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、坐標(biāo)和跳數(shù)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，跳數(shù)的初始值設(shè)為 0，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)報(bào)更新計(jì)數(shù)表，保證每次計(jì)算到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。當(dāng)它收到來(lái)自同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，比較其中的跳數(shù)計(jì)數(shù)，當(dāng)大于對(duì)應(yīng)的最小計(jì)數(shù)時(shí)，簡(jiǎn)單的丟棄該信息。否則，更新相應(yīng)的最小跳數(shù)，并把信息的跳數(shù)計(jì)數(shù)加一，然后以廣播的形式轉(zhuǎn)發(fā)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，供其他節(jié)點(diǎn)參考修改。APIT 算法的基本思想是：遍歷未知節(jié)點(diǎn)的所有鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每次都拿出三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)三角形，判斷未知節(jié)點(diǎn)是否處于該三角形區(qū)域內(nèi)，確定完所有的三角形區(qū)域后會(huì)形成一個(gè)交集區(qū)域，未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)即為該交集區(qū)域的質(zhì)心。Amorphous的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法，在算法初始階段，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息并在全網(wǎng)內(nèi)傳播，未知節(jié)點(diǎn)以自己的通信半徑乘以最小跳數(shù)計(jì)算到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，然后采用極大似然法計(jì)算坐標(biāo)。

3 質(zhì)心算法和DV-HOP算法的matlab仿真

對(duì)于前面提到的四種非測(cè)距的定位算法，本文主要對(duì)質(zhì)心算法和DV-HOP算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果如下。

質(zhì)心算法信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)仿真圖

質(zhì)心算法誤差仿真圖

DV-Hop算法信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)仿真圖

DV-Hop算法誤差仿真圖

4 小結(jié)

從上面的仿真結(jié)果可知質(zhì)心算法的誤差較大，定位精度也不如DV-Hop 算法。質(zhì)心算法由于只是簡(jiǎn)單的取鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的不規(guī)則多邊形，因此其定位精度不是很高。DV-Hop 算法需要每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的平均每跳距離，該算法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)的累積誤差要小很多，所以DV-Hop 算法的定位精度較高。

[1]孫利民，李建中，陳渝，等. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[2]崔莉，鞠海玲，苗勇，李天璞，劉巍，趙澤. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005，42(l): 163-174.

[3]杜新恒，程良倫. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中距離無(wú)關(guān)定位算法的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2008，44(33): 119-121.

TN962

A

淮南師范學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2016xj46)；2 01 3 高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目( K j 2 01 3 z 2 9 7 )。