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信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位

2011-03-15 4页 pdf 696KB 27阅读

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信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位 信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位 李东岳1,2,王英龙1,魏 诺1,刘颖慧1,3,于 伟1,4,郭 强1 (1.山东省计算中心,山东济南 250014;2.山东轻工业学院,山东济南 250000; 3.山东科技大学,山东青岛 266510;4.山东师范大学,山东济南 250000) 摘 要: 无线传感器网络的定位是近年来无线传感器网络研究的重要课题.本文首先介绍了无线传感器网络的 来源、重要性以及无线传感器网络定位的分类.然后提出了一种全新定位算法,信号强度和运动向量结合的无线传感 器网络移动节点定...
信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位
信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位 李东岳1,2,王英龙1,魏 诺1,刘颖慧1,3,于 伟1,4,郭 强1 (1.山东省计算中心,山东济南 250014;2.山东轻工业学院,山东济南 250000; 3.山东科技大学,山东青岛 266510;4.山东师范大学,山东济南 250000) 摘 要: 无线传感器网络的定位是近年来无线传感器网络研究的重要课题.本文首先介绍了无线传感器网络的 来源、重要性以及无线传感器网络定位的分类.然后提出了一种全新定位算法,信号强度和运动向量结合的无线传感 器网络移动节点定位,简称SSMV算法,在外围布置四个锚节点,得用信号强度和未知节点在运动中向量的变化,对锚 节点在内的未知节点进行定位,并对该算法进行了仿真和总结.通过与凸规划法进行比较,仿真结果表明,该算法有更 高的定位精度. 关键词: 无线传感器网络;移动节点;定位 中图分类号: TP393 文献标识码: A 文章编号: 03722112(2010)2A22104 LocalizationAlgorithmforMobileNodesinWirelessSensor NetworksBasedonSingleStrengthandMotionVector LIDongyue1,2,WANGYinglong1,WEINuo1,LIUYinghui1,3,YUWei1,4,GUOQiang1 (1.ShandongComputerScienceCenter,Jinan,Shandong,250014,China;2.ShandongInstituteofLightIndustry,Jinan,Shandong,250000,China; 3.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao,Shandong266510,China;4.ShandongNormalUniversity,Jinan,Shandong,250000,China) Abstract: Inrecentyears,thepositionofwirelesssensorisanimportissuesinwirelesssensornetwork(WSN).Thisarticle firstintroducedthesourceofwirelesssensornetworks,andtheimportanceofpositionclassification.andthenthispaperproposedthe newmethodlocationalgorithm,localizationalgorithmformobilenodesinwirelesssensornetworksbasedonsinglestrengthandmo tionvector(namedasSSMV),whichdeployfouranchornodesintheexternal,usethesignalstrengthandthechangeofnodevector inmotiontolocatetheunknownnodes,andsimulatethealgorithmandconclude.Thesimulationresultswiththeconvexprogram mingmethodofcomparison,theresultsshowthatthealgorithmhashigherpositioningaccuracy. Keywords: wirelesssensornetwork;mobilenodes;localization 1 引言 无线传感器网络[1](wirelesssensornetwork,简称WSN) 是由微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式的 飞速发展而产生.随着无线传感器网络的发展,它也被应 用到更广阔的领域:生态环境监测、反恐的信息收集、火灾 地震的人员求助、地下煤矿信息采集和预测等生活的方方 面面,已成为各发达国家研究的重点和热点[2,3]. 近年来,位置定位被无线传感器研究者视为最重要的 课题之一.在部署了大量节点的无线传感器网络中,定位 往往是必须的[4],不携带位置信息的数据通常是无效的. 无线传感器网络定位中一般分为[5]:基于测距的定 位(rangebased)和无须测距的定位(rangefree).基于距 离的常用测距技术有:接收信号强度(RSSI),已知发射 功率,在接收节点测量接收功率,计算传播损耗,使用理 论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离;到达 时间(TOA)定位,通过测量信号传播时间来获得距离信 息,因此需要节点间精确的时间同步.GPS就是一个采 用 TOA技术实现的定位系统;时间差(TDOA),一般是在 节点上安装超声波收发器和 RF收发器,两种收发器同 时发射信号,利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨 大差异在接收端通过两种不同信号到达时间的差 异,基于已知信号传播速度,直接把时间转化为距离.而 此技术又受到超声波传播距离的限制;到达角度 (AOA),使得邻居节点之间估计和映射相对的角度信 息,这是一种估算邻居节点发送信号方向的技术,可通 过天线阵列或多个接收器结合来实现. 基于距离的有关算法有着一定的局限性[6]:RSSI 收稿日期:20090710;修回日期:20091104 基金项目:国家自然科学基金(No.60802030);山东省中青年科学家科研奖励基金(No.2007BSC01002);山东省科技攻关计划(No.2007GG2QT01007) 第2A期 2010年2月 电 子 学 报 ACTAELECTRONICASINICA Vol.38 No.2A Feb. 2010 更多技术文章,请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 定位的主要误差来源是环境所造成的建模复杂性:反 射,多径传播、非视距等问题都会对相同的距离产生不 同的能量传播消耗.TOA往往会用到 GPS,而 GPS有在 以下地点会受到限制[7]:在地下,比如隧道,沙坑,或洞 穴,在水下,条件恶劣的户外环境,如山谷,森林和峡谷 等,这些环境都不适 GPS定位.GPS大量的能耗也会缩 短节点的生命周期. 无须测距的定位技术有:DVhop算法,将未知节点 到锚节点之间的距离用网络平均每跳距离和两者之间 的路数乘积表示;MDSMAP定位,是一种集中式定位算 法,可以在基于测距和无须测距两种情况下运行,并可 根据情况实现相对定位和绝对定位;凸规划定位算法, 将节点间点到点的通信连接视为节点位置的几何约 束,把整个网络模型化为一个凸集,从而将节点定位问 题转化为凸约束优化问题,然后使用半定规划和线性 规划得到一个全局优化的解决,确定节点的 位置.凸规划算法是无须测距定位常用的方法之一. 基于测距的定位算法需要测量相邻节点间的绝对 距离或方位,并利用节点实际距离来计算节点位置;后 者无需测量节点间的绝对距离或方位,而是利用节点 间的估计距离计算节点位置.而且无须测距的定位算 法基本不需要额外的硬件.本文提出了一种无须测距 的新的定位算法:信号强度和运动向量相结合的无线 传感器网络移动节点定位(LocalizationAlgorithmforMo bileNodesinWirelessSensorNetworksBasedonSingle StrengthandMotionVector简称SSMV). 2 SSMV算法 将四个已知锚节点:N1,N2,N3,N4布置成正方形, 如图1所示,未知节点为 U在其中移动.其中 N1与 N2 相距 D1,N1的通讯半径为 D2;D1 >=D2 >=(N2, N4)/2(若 D2小于这个区域的话,则无法保证 U在正方 形中心的时候,能接收到所有的信号;若 D2大于等于 这个区域的话,则精确度下降);通讯时间相隔 t. 21 SSMV算法原理 (1)据信号强度将 N1N2N3N4所组成的正方形划分 成若干个区域,然后确定未知节点 U所在的区域组成 的多边形P. (2)点 U在正方形中移动时,U会判断它所能接收 到的信号强弱,若 U接收到的信号强度越强,则 U记 录其锚节点的位置;接收到的信号强度越弱,设 U从上 一个位置到现在的位置的向量为S1S→2=(xa,ya)[8,9],则 U记录上一个位置的锚节点位置加上向量S1S→2,即NN→′ =S1S→2=(xa,ya),可以得到;N′=(xn′,yn′)=(xa+xn, ya+yn). (3)在得到三个以上的锚节点位置时,会组成一个 三角形 T或一个四边形Q.最后由 P和T或Q相交得 到一个多边形Z,则 Z的中心为U所在位置;若 T和Q 没有形成,或 P和T或Q不相交,则多边形 P的中心为 U所在的位置. 22 SSMV算法步骤 以图1中 N1所在的四分之一区域为例: (1)先根据信号强度确定未知节点 U所在的一个 多边形P (ⅰ)如果 U与N1,N2,N3,N4之间信号强度相等, 则 U在中心位置 (ⅱ)只接收1个信号时,则 U一定在与其相邻的 N2,N4通信区域外,U在AE区域,则 P为AE区域所组 成的四边形. (ⅲ )只接收2个信号时 假设接收信号的是 N1,N2.则 U在F区域,则多边 形 P为F区域的边所组成的梯形. 假设接收信号的是 N1,N4.则 U在B区域,则多边 形 P为B区域的边所组成的梯形. (ⅳ)只能接受3个信号时 假设接收信号的是 N1,N2,N3.如图1不可能出现 种情况,因为在 N4以外的区域,只有 EF,而 EF都不在 N3的范围内. 假设接收信号的是 N1,N2,N4.则 CG区域,若 N2 >N4,则 U在G区域,则 P为G区域所组成的三角形; 若 N2<N4,则 U在C区域,则 P为C区域所组成的三 角形,若 N2=N4,则 U在CG的中心,则 P为 CG区域 所组成的三角形. (ⅴ)接收4个信号时 假设接收信号的是 N1,N2,N3,N4.则 U在DH区 域.若 N2>N4,则 U在H区域,P为H区域所组成的三 角形;若 N2<N4,则 U在D区域,P为D区域所组成的 三角形;若 N2=N4,则 U在 DH的中心,P为 DH区域 所组成的三角形. (2)再根据 U在移动过程中所接收到的信号,确定 一个三角形 T或一个四边形Q. 222 电 子 学 报 2010年 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 假设 U的位置坐标为 M1(x,y),如图2所示,若 U 收到的 N3的信号强度越大,即 U与 N3越近,U由 M1 运动到 M2(x+xa,y+ya),U在 M2收到的信号强度大 于在 U在 M1收到的信号强度,则 U仍记录 N3相对于 U的位置为(D1,D1),当 U运动到 M3(x+xa+xb,y+ya +yb),U接收信号强度与以前所接受到的信号强度做 相比较,信号强度弱了, 则 U记录 N3的位置跟 随 U的向量移动,U从 M2到 M3移动了(xb, yb),则记 N3′的位置为 (D1+xb,D1+yb).当 U记录信号来自三个 节点时,如图2所示,生 成一个三角形 T,即 ΔN3″N2′N1.当接收到四 个锚节点的信号时,会生成四边形 T.当 U越接近四个 锚节点时,所形成的三角形 T或四边形 Q会越小. 若 U在N2,N3,N4区域里,以次类推. (3)若 U没有接收到三个信号,则 U的位置定位 为P的中心;若 U接收到三个或四个信号,则 U 的位置定位为:以 P与T或Q相交后所形成的多边形 的中心.如图2所示,三角形ΔN3″N2′N1与三角形 G相 交,得新的多边形,新多边形的中心为估计定位位置. 3 仿真分析 本节以 Matlab平台进行仿真实验并分析算法的性 能,最后在相同的环境下与凸规划算法进行比较,进一 步验证该算法的优越性. 设锚节点之间距离为 D1=100m,锚节点的通讯半 径为 D2=80m.如图3所示,未知节点以螺旋曲线的方 式,由中心到边上匀速运动1m/s. 节点的误差为:error= (xe-xr)2-(ye-yr)槡 2, 定位精度为:PositioningAccuracy= (xe-xr)2-(ye-yr)槡 2 D2 其中 xe,ye表示节点的估计定位,xr,yr代表节点的真 正位置,D2为通讯半径. 节点的定位误差如图4所示:图中很明显有两条定位 误差所形成的曲线,都是先减小后增大.图1被分割成许 多小的多边形,未知节点先开始在整个多形边的中心位 置,随着节点的移动,越来越靠近每个多边形的中心位置, 而后又渐渐远离,所以会有先减小后增大的趋势. 由一个多边形运动到另一个多边形时,就形成了 在一个时间段内,有两条变化的曲线.由于开始的时 候,在运动中所形成的多边形 T或Q面积很大,对节点 误差的变化影响不大,但随着节点以螺旋曲线的方式 运动,越来越接近锚节点,T或Q的面积越来越小,如 图5所示.当 t运动到 25以后,随着多边形面积的稳 定,节点的误差也越来越稳定,误差定位在5~15之间. 322第 2A 期 李东岳:信号强度和运动向量结合的无线传感器网络移动节点定位 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 若节点从螺旋曲线外围开始向中心移动,如图6所 示,节点的定位误差分布在515之间,最大的误差没有 超过20,证明了节点的运动中,越接近锚节点,则定位 误差会越小. 从图7中,我们可以看到,使用凸规划算法和SSMV 算法在刚开始时定位误差相差不大,但在节点运动中, 节点在远离中心位置后,凸规划算法误差总体上会越 来越大.因为使用凸规划算法,越靠近中心位置,节点 的误差越小.随着 t的变化,SSMV算法体现其优势,未 知节点越来越靠近锚节点,所形成的 T或Q越来越小, 近一步缩小未知节点所在的区域,降低未知节点的定 位误差. 100个节点在正方形区域内运动,随着节点的增 加,凸规划和SSMV算法的平均定位精度的变化如图8 所示,SSMV算法定位精度比凸规划方法高2倍多. 因此,根据比较后的结果,进一步证明本文的算法 更优. 4 结论 目前的算法大多都是节点的静态定位,本文提出 了一种基于信号强度和向量结合的无线传感器网络移 动节点的定位算法,先利用移动节点接收信号强度的 不同,确定未知节点的区域;根据节点在移动中向量和 信号强度的变化得到节点所在的大体区域;再由两个 相交后的区域来确定未知节点的位置,最后进行了仿 真分析.结果表明,该算法定位精度高,需要的锚节点 数量也较少,从而减少成本和通信开销. 从实验中我们可以得到:未知节点在运动中,越靠 近锚节点,形成的多边形 T或Q会越小,定位精度会越 高;如果未知节点的运动中,如果始终离锚节点较远, 那么节点在运动中会无法形成多边形 T或Q或生成的 多边形较大,只能依靠信号强度来确定大体区域,无法 进一步降低定位误差.对于这个问题,将是下一步需要 研究的内容. 参考文献: [1]孙利民等编著.无线传感器网络[M].北京:清华大学出 版社,2005. [2]WeiWang,SrinivasanV,BangWang,KeeChaingChua,Cov eragefortargetlocalizationinwirelesssensornetworks[J]. IEEETransactionsonWirelessCommunications,2008,7(2): 667-676. [3]YiQian,KejieLu,TipperD.,Adesignforsecureandsurviv ablewirelesssensornetworks[J].IEEEWirelessCommunica tions,2007,14(5):30-37. [4]YounisM.F.,GhummanK.,EltoweissyM.,LocationAware CombinatorialKeyManagementSchemeforClusteredSensor Networks[J].IEEETransactionsonParallelandDistributed Systems,2006,17(8):865882. [5]段渭军,王建刚,王福豹.无线传感器网络节点定位系统 与算法的研究和发展[J].信息与控制.2006,02:239- 345. [6]史龙,王福豹,段渭军等.无线传感器网络 RangeFree自 身定位机制与算法[J].计算机工程与应用,2004,23:127 -130. [7]JungeunPark;Demaine,E.D.Teller,S.MovingBaselineLo calization[A].InformationProcessinginSensorNetworks[C]. IPSN’08.InternationalConferenceon,2008.15-16. [8]ChiaHoOu.Rangefreenodelocalizationformobilewireless sensornetworks[A].WirelessPervasiveComputing,ISWPC 2008[C].3rdInternationalSymposiumon,2008.1-8. [9]B.A.VanDerPluijmandS.Marshak,EarthStructure:AnIn troductiontoStructuralGeologyandTectonics[M].NewYork: WWNorton&CoInc,2003. 作者简介: 李东岳 男,1982年生于山东济宁,山东轻 工业学院在读硕士研究生,主要研究方向为无线 传感器网络. Email:lidy@keylab.net 王英龙 男,汉族,1965年生于山东菏泽,山 东大学信息科学与工程学院博士,研究员,博士生 导师.现任山东省科学院副院长,山东省信息系统 测评工程技术研究中心主任,兼任省信息化专家 组成员、山东计算机学会副理事长兼秘书长、中国 计算机学会嵌入式系统专委、山东省信息化 技术委员会副主任委员、山东省电子政务建设特 邀专家、济南市客座信息化专 家委员会委员. 魏 诺 女,1982年生于枣庄,毕业于中国 海洋大学,硕士,主要研究方向为无线传感器网 络. Email:wein@keylab.net 422 电 子 学 报 2010年 更多技术文章,论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有
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