[發明專利]基于雙速率的水下無線多跳網絡節點自定位方法

有效

• 申請號: 201210036912.5
• 申請日: 2012-02-18
• 公開（公告）號: CN102547981A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 趙瑞琴;申曉紅;王海燕;高婧潔;白衛崗;李保軍;李雪
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明屬于水聲通信與水下網絡技術領域，涉及水下通信、水下節點定位、水下網絡三個領域，具體就是一種基于雙速率的水下無線多跳網絡節點自定位方法，適用于各種水下無線網絡系統。

背景技術

網絡節點自定位是水下傳感器網絡的支撐技術之一，對水下傳感器網絡應用來說，節點的位置信息非常重要，它可用于標識監測數據源的位置、網絡拓撲管理、基于節點位置的路由協議和基于地理位置的數據存儲技術等。它是當前海洋開發與海洋技術發展的基礎。在現代海洋高技術的不斷引入和支持下，水下定位技術在海底環境探測、海洋工程建設、海洋資源開發、海洋科學發展以及國家海洋權益的維護等多方面都將發揮極其重要的作用。

自定位技術是無線傳感器網絡中一項重要技術，到目前為止，針對自定位問題人們提出了很多算法。根據定位算法是否需要使用鄰居節點之間的測距信息，定位算法大致可以分為兩類：基于測距(Range-based)的定位算法和免測距(Range-free)的定位算法。

基于測距的定位算法很多，代表性的算法有：三邊測量法、三角測量法、極大似然定位法、AHLos算法、Generic?Localized?Algorithm算法、MDS-Map算法等。三邊測量法、三角測量法和極大似然定位法通過測量與多個鄰居錨節點(即位置信息已知的節點)的距離或角度信息得到未知節點自身坐標。使用這三種方法運算量不大，定位精度也較高但所需錨節點數較大。在錨節點稀疏的網絡中，AHLos算法、GenericLocalized?Algorithm算法將定位后的未知節點升級為準錨節點，完成多跳網絡內結點自定位。這兩種算法解決了錨節點較稀疏時的問題，但由于對多跳未知節點的準錨節點升級使得測距誤差與定位誤差累積，導致結點自定位精度不高，尤其是在錨節點很少網絡直徑較大的網絡中。MDS-Map算法通過從全局角度生成網絡中節點間的距離矩陣，根據距離矩陣給出的節點間的連通信息如鄰居節點的測量距離，通過最短路徑法粗略地估計未知結點到錨節點之間的距離，進而完成網絡結點自定位。為獲取網絡距離矩陣，該算法存在通信量大的問題，基于距離估計值計算結點定位信息，將導致低的定位精度。

非測距網絡結點自定位方法，利用平均單跳距離、未知結點到錨節點的平均跳數等信息以及質心理論，采用一定的距離估計方法估計未知結點到錨節點之間的距離，進而完成結點自定位。一般而言，非測距網絡結點自定位方法獲得的定位精度要低于基于測距的網絡結點自定位方法。

水下無線多跳網絡中，GPS無線電信號在水下衰減很快，必須通過其他復雜手段才能獲得水下無線傳感器網絡節點的絕對位置信息，因此錨節點數量不宜過多。為此，如何在錨節點很少的情況下，以低的開銷完成每個結點的精確自定位是水下無線多跳網絡結點自定位研究的關鍵。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于雙速率的水下無線多跳網絡結點自定位方法，針對水下無線多跳網絡錨節點密度小、帶寬與能耗有限，解決現有技術中存在的定位精度低的問題。

本發明的思想在于：

技術方案

一種基于雙速率的水下無線多跳網絡結點自定位方法，其特征在于：水下無線多跳網絡由錨結點和若干普通結點組成，利用低速率傳輸LM實現無線多跳網絡結點間的精確測距，利用高速率傳輸HM實現網絡結點間的其他信息傳輸；所述錨結點是能夠得到其絕對位置信息的網絡結點，或無法獲得其絕對位置信息但可以作為網絡其他結點定位參考的結點；所述普通結點為通過其與錨結點進行通信得到距離信息進而完成自定位的待定位結點；具體步驟如下：

步驟1：錨結點N1采用LM模式在t₀時刻發送hello分組；所述hello分組內包括該分組的類型、發送該hello分組的結點的ID、發送該hello分組的結點的類型、發送該hello分組的時刻等信息；

步驟2：在t_i時刻普通結點i收到該hello分組，i表示普通結點的ID，i＝1，2，3....n-1；依據D_i，N1＝T_proc·v_s計算該普通結點i與錨結點之間的距離，其中T_proc表示聲信號在水聲信道中的傳播時延T_proc＝(t_i-t₀)，v_s表示聲波在水中的傳播速度；