[發明專利]一種無線傳感器網絡節點三維定位方法

有效

• 申請號: 201210082153.6
• 申請日: 2012-03-26
• 公開（公告）號: CN102685676A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 王慧斌;吳燕;張麗麗;徐淑芳;沈潔;楊會杰
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: H04W4/04
• 分類號: H04W4/04;H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 夏雪

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡節點定位技術領域，特別涉及一種水下無線傳感器網絡節點三維定位方法。

背景技術

在開展對沿海淺水域及河口的監測應用研究中，部署水下傳感器網絡目的是實時立體地采集相關水文參數及水環境數據，以提高監測質量。網絡節點定位是開展應用的基礎，然而由于水流所具有的特殊性使得定位具有難度，主要表現為：

(1)節點部署采用水底固定錨鏈和浮標(即節點按預設深度投放到水下)等方式，形成一個三維空間網絡。然而節點的三維空間分布導致了錨節點(此處指可精確定位的節點)間空間位置關系的不確定，使得選取合適的錨節點參與定位存在困難。

(2)節點受水流影響，位置常常會在一定范圍內移動，需要及時更新定位結果。這種周期性定位造成了較高的能耗，及節點間移動的不同步和不一致性，使得難以實現大范圍內節點的統一定位修正。

在水下無線傳感器網絡節點定位技術領域，V.Chandrasekhar等人提出了一種水下無線傳感器網絡區域定位方法(ALS)，該方法針對大型水下無線傳感器網絡很難實現所有節點精確定位以及定位成本較高的問題，提出一種粗精度的集中式定位方法。各錨節點已知自身位置，并以不同的功率級別廣播自身位置信息，未知節點保存接收到的錨節點信息以及對應的發送功率級別，并傳送給匯聚節點，匯聚節點根據這些信息估計出未知節點所在位置區域，將該估計區域的幾何中心作為未知節點的坐標。該方法無需任何測距信息和時鐘同步，實施簡單、具有較高的定位覆蓋率且成本較低，但是定位精度不高，而且沒有考慮實際應用中節點隨水流移動的情況。

D.Mirza等人針對水下無線傳感器網絡水聲信道延時長、節點受水流作用移動等問題提出了基于節點移動感知的定位方法。定位過程中距離估計信息由于水聲信道延時長以及節點位置的移動而失效，該方法主要處理距離估計過時性問題。該方法需要在一個中心站處理所有位置信息。傳感器節點采集自身和鄰居節點間的距離信息，發送到一個中心站作為迭代運算的輸入值。每次迭代運算中，將操作區域劃分為更小的塊，節點所在概率最大的位置用于下一次迭代。該方法的優點是減小了計算負擔而且無需錨節點，它的缺點是與中心站距離較近的節點會因為通信開銷過大而過早消耗完能量，致使網絡中其它節點與中心站通信中斷，從而無法完成定位。

王懌等人針對受水下環境制約只能將錨節點水面部署的情況提出了一種逐級循環求精的三維水下無線傳感器網絡定位方法，按照節點和錨節點距離遠近從水面向下逐層進行分級迭代求精。該方法的主要思想分為兩點：第一，通過從上到下逐級定位來解決錨節點水面分布的不均勻性。首先，距離水面分布的錨節點一跳通信范圍的未知節點進行定位，然后這些獲得位置的節點轉變為新的錨節點，使得距離它們一跳范圍內的節點也能定位，這樣從上往下逐層定位，直到整個網絡的節點都完成定位。第二，通過逐級加權迭代求精控制定位誤差的累積。在上述定位過程中，每當新的錨節點用于下一級未知節點定位時，它們自身的定位誤差會影響后面的定位，定位誤差會逐漸累積。所以每層的定位過程中加入加權循環求精階段，每一級未知節點接收同級鄰居節點的位置信息，根據這些信息以及之前來自錨節點的信息執行級數加權的多邊測量法，更新自身的定位，直到滿足一定精度要求。該方法的優點是在各向同性和各向異性的網絡中均能達到較好的定位結果，但是只能用于節點靜止的網絡，不能解決節點隨水流移動情況下的定位問題。

Z.Zhou等人針對水下無線傳感器網絡規模大的問題提出一種分層定位方法，將Euclidean方法擴展到三維空間，結合遞歸定位法，即將先完成定位的且定位誤差低于某個閥值的未知節點升級為錨節點，參與剩余未知節點的定位。該方法具有較高定位覆蓋率和較低的通信能耗，適合大規模的網絡定位。但是該方法的遞歸過程將使節點的定位誤差累積，一定程度上影響定位精度，且假設在靜態網絡中進行仿真，對于節點隨水流移動的網絡來說，整個定位過程需要不斷重復運行，極大地增加了整個網絡的能量消耗，縮短了網絡的生命周期。

劉文予等人設計的一種水下無線傳感器網絡節點三維定位方法，通過映射將三維定位轉換為二維定位，各普通節點利用距離向量算法結合信標節點的二維坐標估計各自的初始二維坐標，然后利用鄰居節點的二維坐標迭代更新自己的二維坐標直到其收斂于真實二維位置，再利用水深與壓強關系求得普通節點的水深，最終獲得節點的三維位置信息。但是該方法在計算普通節點二維坐標過程中，假設不存在多個節點的投影重合，適合于在均勻的水域范圍內進行節點定位計算，而對河口、海岸等不規則水域內進行平面投影計算的難度較大；同時，對于水流造成的節點移動問題，如果頻繁調用定位算法，則會造成整個網絡較大的能量消耗。