[發(fā)明專利]一種基于非測距的網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點(diǎn)篩選裝置及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210156608.4
• 申請日: 2012-05-18
• 公開（公告）號: CN102752850A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫春杰;葉芝慧
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于非測距的網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點(diǎn)篩選裝置，其特征在于：包括隨機(jī)分布的普通節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)包括錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)，所述錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)均包括嵌入式節(jié)點(diǎn)模塊和為嵌入式節(jié)點(diǎn)模塊提供驅(qū)動力的電源，所述嵌入式節(jié)點(diǎn)模塊包括編程芯片、Flash存儲芯片、通信芯片及天線，所述編程芯片對網(wǎng)絡(luò)中傳入的各個錨節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)以及位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選和計(jì)算，并通過命令控制通信芯片廣播各個錨節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)以及位置數(shù)據(jù)；所述通信芯片及天線在編程芯片的控制下，對無線傳輸?shù)奶鴶?shù)和位置數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，并可以控制傳輸有效距離；所述Flash存儲芯片保存網(wǎng)絡(luò)中所有的錨節(jié)點(diǎn)的位置和跳數(shù)信息；所述錨節(jié)點(diǎn)內(nèi)還配備有GPS模塊，GPS模塊對錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，精確獲得錨節(jié)點(diǎn)位置信息，位置信息將存儲在錨節(jié)點(diǎn)的Flash存儲芯片內(nèi)，并在泛紅廣播的時候進(jìn)行向外傳輸；通信節(jié)點(diǎn)用來在未知節(jié)點(diǎn)未知計(jì)算完畢之后，將網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送到計(jì)算機(jī)終端，通信節(jié)點(diǎn)由無線通信模塊構(gòu)成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非測距的網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點(diǎn)篩選裝置，其特征在于：所述編程芯片為MSP430編程芯片，所述通信芯片為NRF2401通信芯片；所述電源為鋰電池。

3.一種基于權(quán)利要求1或2所述的裝置的錨節(jié)點(diǎn)篩選方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)接收到的所有錨節(jié)點(diǎn)到它的跳數(shù)和位置信息擬合出平均跳距分布函數(shù)曲線，再篩選出合格錨節(jié)點(diǎn)，據(jù)此得出未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，定義該方法為AFDV-Hop算法，具體步驟如下：

1）在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)散布n個未知節(jié)點(diǎn)和m個錨節(jié)點(diǎn)，其中，20≤m≤50，50≤n≤100，各未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的嵌入式節(jié)點(diǎn)模塊的傳輸功率相同；

2）錨節(jié)點(diǎn)以控制泛洪方式在網(wǎng)絡(luò)中廣播信息，信息內(nèi)容包括錨節(jié)點(diǎn)標(biāo)識、坐標(biāo)以及初始值為0的跳數(shù)，在泛洪結(jié)束之后，普通節(jié)點(diǎn)保存了所有錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及每個錨節(jié)點(diǎn)到該普通節(jié)點(diǎn)的最少跳數(shù)；

3）將未知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)暫時定義為它的鄰居錨節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心（x_uc,y_uc），根據(jù)下面公式，計(jì)算出所有錨節(jié)點(diǎn)i和未知節(jié)點(diǎn)u的估算平均跳距

ADPHiu=(xi-xuc)2+(yi-yuc)2Hopiu]]>

式中，Hop_iu表示錨節(jié)點(diǎn)i到未知節(jié)點(diǎn)u的跳數(shù)；

4）在網(wǎng)絡(luò)中，觀察ADPH_iu的分布情況，計(jì)算ADPH_iu的概率，計(jì)算函數(shù)如下：

P(ADPHiu)=Num[ADPHiu]Σk=0RNum[ADPHiu=k]]]>

式中，R表示普通節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離，k的取值范圍是（0，R），Num[ADPH_iu=k]

表示平均跳距為k的個數(shù)，整個分母表示所有跳距的總數(shù)，分子Num[ADPH_iu]

表示平均跳距為ADPH_iu的個數(shù)，P（ADPH_iu）表示各個跳距的概率分布函數(shù)；

根據(jù)上式可得所有錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)u的平均跳距的概率分布函數(shù)，根據(jù)該概率分布函數(shù)圖對參與計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，該分布函數(shù)呈正態(tài)分布：

P(ADPHiu)=12πσe-(ADPHiu-μ)22σ2]]>

其中σ和μ是根據(jù)擬合出正態(tài)分布曲線函數(shù)的常數(shù)值，ADPH_iu取值是（0，R），根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)的特征可知，P(ADPH_iu)大部分有效數(shù)據(jù)都集中在(ADPH_iu)∈[μ-σ，μ+σ]區(qū)域內(nèi)，因此在計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置時只需要平均跳距在μ-σ~μ+σ內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)即可；而在μ-σ~μ+σ之外的數(shù)據(jù)會對定位計(jì)算造成較大誤差，尤其是在分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)中；

5）對于合格錨節(jié)點(diǎn)，利用下式可計(jì)算出錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)距離d_iu，

d_iu＝ADPH_iu×Hop_iu

式中，Hop_iu表示錨節(jié)點(diǎn)i到未知節(jié)點(diǎn)u的跳數(shù)；

6）錨節(jié)點(diǎn)i到未知節(jié)點(diǎn)u的距離d_iu又可以寫成

(x_u-x_i)²+(y_u-y_i)²＝d_iu²，i=1,2…N

再利用最小二乘法，對未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算：

X=xuyu=(ATA)-1ATB]]>

式中A=-2×x1-xny1-ynx2-xny2-yn···xn-1-xnyn-1-yn;]]>B=d12-dN2-x12+xN2-y12+yN2d22-dN2-x22+xN2-y22+yN2···dN-12-dN2-xN-12+xN2-yN-12+yn2]]>

步驟2，采用經(jīng)典的非測距算法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；

步驟3，所有未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過通信節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端，計(jì)算機(jī)對步驟1得出的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與經(jīng)典的非測距算法得到的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行量化比較：

如果步驟1和步驟2兩種方法的定位結(jié)果相差較小，則傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布均勻性比較好；

如果步驟1和步驟2兩種方法的定位結(jié)果相差較大，則傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布均勻性較差；

步驟4，根據(jù)步驟3中的比較結(jié)果調(diào)整步驟2中的篩選參數(shù)，調(diào)整合格節(jié)點(diǎn)的篩選比例，即篩選有效錨節(jié)點(diǎn)區(qū)域?yàn)棣?σ-Δ,μ+σ+Δ，其中Δ取值范圍為（-0.5σ,σ），初始時候Δ值為0；

若均勻度較差，則減少參與計(jì)算的合格錨節(jié)點(diǎn)占總錨節(jié)點(diǎn)的比例，即減小Δ的取值，從而減少誤差；

若均勻度較好，則增大參與計(jì)算的合格錨節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)比例，即增大Δ的取值，從而使計(jì)算樣本空間增大，減少誤差。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的錨節(jié)點(diǎn)篩選方法，其特征在于：所述步驟3中，計(jì)算機(jī)進(jìn)行量化比較的過程如下：

（1）首先初始化一個整數(shù)N，表示對兩種方法結(jié)算誤差計(jì)算比較的次數(shù)；

（2）從計(jì)算機(jī)生成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布不均勻度為η的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)組，并在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分布節(jié)點(diǎn)；

（3）分別用步驟2中的經(jīng)典的非測距算法和步驟1中的AFDV-Hop算法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)E1和E2，對E1和E2的誤差進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫；

（4）將整數(shù)N減1，如果N不為0，則增大η的值，并重復(fù)步驟（2）和（3）；如果N為0，轉(zhuǎn)到步驟（5）；

（5）根據(jù)不同的不均勻度η繪制出兩種算法誤差隨η的變化情況，得出結(jié)論。