一種wsn中基于閾值優選的加權質心定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種WSN中基于闊值優選的加權質屯、定位方法，屬于傳感器網絡節點 定位技術領域。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網絡是由具有感知能力、計算能力、無線通信能力的傳感器節點組成， 廣泛應用于軍事偵察、生產過程監控、環境監測等方面。網絡節點的自身定位是傳感器網絡 應用的基礎和重要支撐，在基于位置信息的路由、目標監測與跟蹤等許多應用領域都需要 網絡節點的具體位置信息，W便在網絡通信和節點協作方面利用位置信息完成具體要求。
[0003] 傳感器網絡節點定位方法跟據對節點位置的估測機制，可將其分為基于測距的定 位算法和無需測距的定位算法。基于測距的定位算法是通過測量節點間的距離或特定角度 信息，使用=邊測量法、=角測量法或最大似然估計法來估算節點近似位置；而無需測距的 定位算法僅依靠網絡的連通性估算未知節點的位置坐標，其功耗比較小，但估算出的節點 坐標的準確度比較低。基于測距的定位算法與無需測距的定位算法相比，雖然前者的硬件 成本有所增加，但是其定位精度有著明顯的優勢。隨著對定位精度要求的提高，基于測距的 定位算法在節點定位技術中將會有更好的發展。
[0004] 目前使用的測距技術有TOA，TDOA和RSSI等。TOA是利用到達時間的測距機制， 即利用信號的傳輸時間來測量節點之間距離，該種方法要求精確的時鐘同步，所W對硬件 要求較高。TDOA的測距原理是利用無線信號和超聲波信號在同一介質中的傳輸速度的差異 來測量節點之間距離，其測距精度較高，但需要為節點配備超聲波發射裝置，增加節點的硬 件成本。
[0005] 基于接收信號強度指示巧SSI)的測距機制，它是一種根據無線信號在傳輸過程 中的功率損耗來測量節點之間距離的技術，不需要額外的硬件支持，但實際應用中易受環 境等因素的影響，從而導致算法的定位精度降低。質屯、算法是將未知節點周圍的信標節點 形成的多邊形的質屯、作為未知節點的估計位置，該算法容易實現，其通信開銷W及計算量 都比較小，但要求網絡中的信標節點均勻分布且其分布密度比較高。
[0006] 在基于測距的定位算法中，基于接受信號強度指示化SSI，received signal strength indicator)測距技術是一種低功率、廉價的測距技術。因節點本身的無線通信巧 片就具有計算收發信號強度的能力，因此基于RSSI的測距技術不需要附加額外的硬件，不 會帶來硬件成本的增加，其定位精度較無需測距方法又有著明顯的優勢，所W基于RSSI的 測距是無線傳感器網絡定位比較常用的方法。
[0007] 質屯、定位算法使用包含位置信息的信標節點的幾何質屯、作為未知節點的位置，完 全基于網絡連通性，因此比較簡單，容易實現。但此算法的精確度與信標節點的密度W及分 布有很大關系。

【發明內容】

[000引發明目的；針對現有技術中存在的問題，為了進一步提高節點定位的精度，本發明 提供一種WSN中基于闊值優選的加權質屯、定位方法（TSWC,T虹eshold based Selection and Wei曲ted Centroid localization algorithm)。首先利用信號傳輸模型估測未知節 點與信標節點的距離，根據信標節點的相對位置優選信標節點集合，根據設定的闊值和信 標節點與未知節點的位置關系，選擇較優信標節點組合。然后W組合中的信標節點為圓屯、， 與未知節點的距離值為半徑作圓，形成的交疊區域，并對該區域進行劃分，計算每個區域的 質屯、，并利用各區域面積占總面積的比例作為權值，來進行定位計算。仿真結果表明，本發 明的優化算法降低了定位誤差，提高了節點定位精度。
[0009] 技術方案；一種WSN中基于闊值優選的加權質屯、定位方法，包括如下步驟：
[0010] 1)信標節點廣播自身信息；節點ID、自身位置信息。未知節點在收到信息后，記錄 信標節點的RSSI值，并對同一信標節點RSSI值取平均，將信息存入自身維持的集合M中。
[0011] 2)未知節點將集合M的信標節點RSSI值轉化為距離值，并根據其與自身距離值從 小到大排序。選取前5個距離最小的值，建立信標節點信息集合S，包括信標節點ID信息和 距離信息。
[0012] 3)在集合S任取S個信標節點作為一組合巧，判斷S個節點間距離是否大于0， 然后判斷U是否在信標節點組成的區域內，選出參與定位的信標節點組合集T。
[0013] 4)對合集T中的每信標節點組合利用本發明改進算法進行節點的定位計算。
[0014] 5)最后利用每組數據計算得到的數據求平均值，得到待測節點的估計位值。
【附圖說明】
[0015] 圖1為S角形質屯、定位算法原理圖；
[0016] 圖2為信標節點組成區域示意圖；
[0017] 圖3為不滿足條件的情況的示意圖；
[001引圖4為加權質屯、定位4個區域放大圖；
[0019] 圖5為信標節點選擇流程圖；
[0020] 圖6為本發明方法流程圖；
[0021] 圖7為節點分布圖；
[0022] 圖8為信標節點個數對定位誤差的影響比較圖；
[0023] 圖9為信標節點通信半徑對定位誤差的影響比較圖；
[0024] 圖10為容忍系數對定位誤差的影響比較圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解該些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0026] 首先介紹基于信號強度指示的測距模型，它是一種將節點接收到的信號強度轉化 為距離的理論模型。然后給出質屯、定位算法，即利用幾何圖形的質屯、作為未知節點的位置。
[0027] RSSI測距模型
[002引無線信號傳播模型典型的有自由空間模型、對數距離路徑損耗模型及對數-常態 分布模型。在實際的應用環境中，由于信號受到多徑、繞射、障礙物等因素的影響，無線電信 號傳播路徑損耗與理論值相比有所差異。因而在此基礎上產生下述對數-常態分布模型， 式（1)可用于計算節點收到信標信息時的路徑損耗值
[0029]
【主權項】
1. 一種WSN中基于閾值優選的加權質心定位方法，其特征在于，可分為信標節點組合 的優選和加權質心定位計算兩部分；未知節點選取與自身距離最近的η個信標節點，每三 個信標節點構成一個組合，判斷組合是否滿足條件，滿足條件的信標節點用于加權質心計 算；將交疊區域分為4個部分，每部分面積與總面積的比值作為權值，將每部分的質心進行 加權計算得到未知節點的坐標。
2. 如權利要求1所述的WSN中基于閾值優選的加權質心定位方法，其特征在于，信標節 點組合的優選中： 首先判斷信標節點組合中每兩個節點的距離是否大于距離閾值，設閾值為σ ;設定〇 的大小與節點的通信半徑Rtl成正比，在此定義容忍系數Ρ，〇 =PXR〇,設定P的取值在〇~ 〇. 2之間；如果每兩個節點間的距離都大于閾值〇，就進入下一步篩選； 其次，判斷未知節點是否在信標節點組成的特定區域內，如果未知節點在上述區域內 就將信標節點組合用于后續定位計算；設信標節點組成三角形邊長的均值為Lavg，分別以信 標節點為圓心，以L avg為半徑作圓，三個圓構成交疊區域；若未知節點在此交疊區域內，則 認為此信標節點組合滿足定位條件； 設信標節點A，B，C，組成的三角形Λ ABC邊長分別為Lab, LA。，Lb。，計算Λ ABC三邊長的 均值Lavg，即
然后分別以A，B，C為圓心以Lavg為半徑作圓，得到交疊區域，若未知節點U處于該交疊 區域就認為是符合條件，此時節點U與AABC各頂點的距離均小于Lavg; 如果不滿足條件，則丟棄此信標節點組合；比如信標節點間的距離小于σ，或未知節 點U不在三個圓重疊的部分。
3. 如權利要求1所述的WSN中基于閾值優選的加權質心定位方法，其特征在于，對每個 信標節點組合，采用加權質心定位算法，主要分為三個部分：計算ADEF(區域1)和三個拱 形（拱形DGF、拱形DHE和拱形EIF)的質心；計算各區域的權值；對各區域質心加權； 各區域質心計算 拱形區域的質心計算，以拱形DGF為例，以ADGF的質心來代替；先求得三角形各頂點 坐標，然后分別計算質心； 設點G的坐標為（? ye)，由于點G在以B為圓心，以dis，為半徑的圓上；并且點G在 DF連線的垂直平分線上，即G與D的距離等于D與F的距離；G又在以A為圓心，以dis/ 為半徑的圓內部，由此可得到（6)式，即可求得G點的坐標（Xpy e);
冋埋，口」豕侍? H利?丄的坐稱73 Uh，yH) W Ul，yi); 有了三角形各點坐標即可求得其質心，設Δ DEF、拱形DGF、拱形DHE、拱形EIF的質心分 別表示為（Xi, y)，（i = 1，2…4)，（Xij, yj，（i = 1，2…4, j = 1，2, 3)分別為各區域中三個 頂點坐標，由質心的計算方法可得：
各區域權值計算 各區域的權值為該區域面積占整個交疊區域面積的比例；ADEF的面積S1可以利用海 倫公式求得：
以拱形DGF為例，設拱形DGF的面積為S2，可以利用扇形BDGF的面積減去ABDF的面 積求得，
同理可求得拱形DHE的面積S3和拱形EIF的面積S 4。 各區域加權系數為：
加權求坐標 利用各區域加權值，可得到本組合對未知節點U的估測坐標Posu, Posu = (x,y) = (Zi=iKixi >Σ?=ικ?ν? (11)。
【專利摘要】本發明公開一種WSN中基于閾值優選的加權質心定位方法，其特征在于，可分為信標節點組合的優選和加權質心定位計算兩部分；未知節點選取與自身距離最近的n個信標節點，每三個信標節點構成一個組合，判斷組合是否滿足條件，滿足條件的信標節點用于加權質心計算；將交疊區域分為4個部分，每部分面積與總面積的比值作為權值，將每部分的質心進行加權計算得到未知節點的坐標。本發明的優化算法降低了定位誤差，提高了節點定位精度。
【IPC分類】H04W64-00, H04W84-18
【公開號】CN104661304
【申請號】CN201410767697
【發明人】顧燕, 郭潔, 李旭杰, 靜大海, 王嫻玨
【申請人】河海大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2014年12月12日