[發明專利]一種基于到達角度和Gossip算法的無線傳感器網絡分布式協作定位方法

有效

• 申請號: 201410074875.6
• 申請日: 2014-03-03
• 公開（公告）號: CN103841641B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發明（設計）人: 吳少川;崔聞;單元旭;王玉澤;孫仁強;趙震;袁鐘達
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡分布式定位方法，具體為一種將到達角度估計定位和Gossip算法有機結合的適用于無線傳感器網絡典型工作環境的協作定位方法。

背景技術

無線傳感器網絡是由大量具有數據采集、數據處理和無線數據收發等功能的節點所組成的通信網絡。由于成本和體積的限制，這些節點通常都采用電池供電，因此具有有限的數據分析和傳輸能力。典型的無線傳感器網絡工作方式是將大量隨機或人為布置的傳感器節點通過自組織等方式快速形成一個無線網絡。每個傳感器節點都有自己的通信區域并且通過感知設備來檢測周圍環境的溫度、濕度抑或頻譜等信息，同時也配備通信設備與相鄰節點進行短距離通信。

傳統的基于端到端路由的通信方式，已經不再適合于大規模的無線傳感器網絡。同時還應當注意到，由于無線傳感器節點有限的通信能力、數據處理能力和設備可靠性，無線傳感器網絡中的節點通常都采用密集放置的方式。由于節點密度較高，因此地理位置上臨近的節點所采集的數據通常具有較大的冗余。如果能在數據傳輸過程中將這些數據進行融合壓縮，就可以顯著減小后續傳輸過程中的分組數量和分組尺寸，提高網絡容量并降低節點的能量消耗。因此關于無線傳感器網絡中的數據壓縮和有效傳輸手段的研究就成為了一個研究熱點。在上述背景下，誕生了可應用于無線傳感器網絡分布式共識的Gossip算法。該算法中的每個節點隨機地和它選定的某個（或某組）相鄰節點交換數據，然后這兩個（或該組）節點分別利用凸合并算法合并這些數據，并用新的數據替換掉自己原有的數據。此時稱該算法完成了一次更新或者一次迭代。

無線傳感器網絡節點的工作區域通常為諸如軍事偵察、路況檢測等人類不易進入的區域，而且對于像災后重建、氣候監測等傳感器網絡的典型應用環境，傳感器節點通常通過飛機拋灑等手段被置于工作區域，因而它們的位置都是隨機而未知的。然而在許多應用中，節點所采集的數據必須結合它所處的坐標位置才有意義，因而對于無線傳感器網絡未知節點（網絡中待測其位置的節點）的定位技術的研究具有重要的意義。因此，自從無線傳感器網絡被廣泛關注開始，其定位技術一直是理論研究的焦點問題。

針對無線傳感器網絡的自身特點，近幾年研究者的目光主要集中在分布式定位算法的研究上。目前廣泛應用的分布式定位算法基本上都是基于測距方式的算法，可以分為基于到達信號強度(RSSI)定位、基于到達時間(TOA)定位、基于到達時間差(TDOA)定位和基于到達角度(AOA)定位。在現如今廣泛應用于定位硬件系統的是具備較好定位精度的TDOA定位或TOA定位方法，然而上述兩種定位方法均需要精確的時間同步，如各錨節點之間的時間偏差比較大，則會造成較大的定位誤差。然而，在無線傳感器網絡中，其全網時間同步問題已經成為公認的技術難題，因而在移動通信系統等領域中廣泛使用的TDOA等定位方法未必完全適用于無線傳感器網絡的工作環境。與此同時，隨著智能天線技術的成熟應用，使得采用AOA定位方法進行定位成為可能。而且相對于TDOA和TOA定位來說,AOA定位不需要精確的時間同步作為前提條件。因而，在無法實現或較難實現時間同步的情況下，基于TOA或者TDOA技術的定位方法無法實現，而基于AOA定位技術的方法在此種情況下便可派上用場，因而本發明將采用AOA定位作為基本定位技術。然而，目前AOA定位存在的一個重要問題是其定位精度較差，這也是一直以來限制其實際應用的瓶頸所在。盡管目前隨著智能天線乃至天線陣列技術的發展，AOA定位方法的定位精度有所提升，但是仍然無法滿足高精度定位的需求。

針對于無線傳感器網絡節點密集放置的工作環境，一種能夠提高分布式算法定位精度的方式就是采用節點間的分布式協作定位。然而在這種分布式協作定位框架中，如何將每個錨節點（網絡中已知自身位置的節點）采用AOA定位方法獲得的未知節點位置估計值有效利用從而提高定位精度，并且同時將網絡中每個錨節點獲取的定位數據有效的融合壓縮，從而去除由于節點密度較高引起的定位數據冗余這一系列問題都是亟待研究人員提出切實的方案解決的。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于到達角度和Gossip算法的無線傳感器網絡分布式協作定位方法，以將每個錨節點（網絡中已知自身位置的節點）采用AOA定位方法獲得的未知節點位置估計值有效利用從而提高定位精度，并且同時將網絡中每個錨節點獲取的定位數據有效的融合壓縮，從而去除由于節點密度較高引起的定位數據冗余。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

基于到達角度和Gossip算法的無線傳感器網絡分布式協作定位方法具體按以下步驟實現：