[發明專利]一種水下無線傳感器網絡定位方法

有效

• 申請號: 201310310996.1
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN103415071A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 劉林峰;管文冰;朱志文
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，特別涉及一種水下無線傳感器網絡定位方法。

背景技術

不同于陸地無線傳感器網絡，水下環境極為復雜，例如節點隨水流移動，電池補給困難，水中聲信道高延遲，低帶寬和高誤碼率這些狀況，這些使研究水中的定位方案變得困難。

眾所周知，普通的GPS不能在水下工作，為了使節點可以在水下定位自己，提出了一種水下GPS系統，例如：GPS智能浮標GIB(GPS?Intelligent?Buoys)和PARADIGM（一種提供精確定位的程序）。這些水下GPS系統主要是依靠表面浮標提供準確的位置信息，這些浮標的作用就如同GPS的衛星。所有在浮標通信范圍內的節點如果獲得3個或3個以上浮標節點的位置信息，就可以定位自己的位置。但是對于大型無線傳感器網絡，不能保證所有的節點都能獲得3個或3個以上的浮標位置信息，從而定位自己的準確位置。原因有兩點，第一，和浮標節點通信，普通節點需要裝備昂貴的硬件設施去和表面浮標通信，這對于擁有大量節點的大型水下無線傳感器網絡來說是不實際的，會使得成本過高；第二，表面浮標為了保證所有的節點都能收到其發出的信息，會增大通信功率，使得表面浮標的的生命期變短，因為浮標節點大多數是由電池供電的，而電池的更換補給是很困難的。

目前提出的節點定位方法主要分為兩類：基于測距的定位方法和無需測距的定位方法?；跍y距的定位方法需要測量節點之間的距離或者測量節點之間的角度，而無需測距的定位方法不需要這些測量?；跍y距的定位方法需要額外的硬件支持，但是它可以提供相對精確的定位。無需測距的定位方法則相反，它不需要額外的硬件支持，但是定位誤差卻較高。在多數應用中（例如河口監控，污染物跟蹤）我們需要較準確的定位方案，所以本定位方法中選擇了基于測距的定位方法。在基于測距的定位算法中，測距信息的準確性很重要，直接影響了定位的準確度。目前測距的方法有：基于信號強度測距方法RSSI(Received?Signal?Strength?Indication)，基于到達時間的測距方法TOA（Time?of?Arrival）、基于到達時間差的測距方法TDOA（Time?Difference?of?Arrival）。信號強度測量就是根據收到信號衰減的程度計算路徑的損耗，再將路徑的損耗換算成距離。這種技術主要使用RF信號，因為傳感器節點本身具有無線通信的功能，所有是一種低功率，低成本的測距技術，但是無線信號的反射，多徑傳播等會使這種測距方法產生較大誤差。這里我們使用RSSI來測量節點之間的距離，測出距離后就可以利用三邊測量法來計算節點的位置。三邊測量法就是選擇若干節點，相互連接成若干個三角形。通過測量三角形的內角或邊長，再根據已知節點的坐標，通過已知的三角形邊長和坐標方位角來計算未知的三角形各邊的邊長和坐標方位角，進而計算出未知節點的位置坐標。

面對上述的定位難題，一種多級定位方法被提出。方法中包含3種節點：表面浮標節點，錨節點（可以與表面浮標直接通信從而定位自身的節點）和普通節點。浮標漂浮在水面，裝備有GPS設備，可以獲得自己的準確位置；錨節點可以和浮標直接通信從而定位自身，同時錨節點也可以和普通節點通信并幫助普通節點定位；普通節點出于成本或者其他制約因素的考慮不能和浮標節點直接通信，但是可以和錨節點通信來定位自己。整個定位分為兩個過程：錨節點的定位和普通節點的定位。首先錨節點和浮標節點通信獲得位置信息幫助自身定位，然后錨節點幫助普通節點進行定位，在普通節點的定位過程中，當某一節點定位完成之后會對自身進行判斷，根據設定好的判斷條件，判斷自己有無條件成為參考節點（普通節點通過錨節點的幫助定位自身，并且具備一定精度條件，從而轉化為參考節點，再去幫助其他節點定位）。成為了參考節點的這部分普通節點廣播自身的位置信息，幫助其他普通節點定位。這種定位方案增大了網絡的連通性，提高了定位覆蓋率，提高了定位速度。關于定位精度，是在每個節點中設置了一個信任值，信任值越高精度越高，當一個普通節點收到來自多個參考節點的位置信息時，可以選擇信任值較高的節點幫助自身定位，這樣既可以提高定位的精度。在這種方法中，如果錨節點失效，則會對網絡的連通性產生影響，一部分普通節點會因為收不到足夠的位置信息從而無法定位。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是為了克服現有技術的不足，針對水下無線傳感器網絡中節點失效問題，為了提高節點的定位覆蓋率，提出一種水下無線傳感器網絡定位方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：