[發明專利]基于改進牛頓法的傳感器節點分布式定位方法

有效

• 申請號: 201811473534.0
• 申請日: 2018-12-04
• 公開（公告）號: CN109561498B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 蔣俊正;李楊劍;趙海兵;李龍斌;楊圣;楊杰
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H04W64/00
• 分類號: H04W64/00;H04W4/021;H04W4/02;H04W84/18;G01S19/45
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 陳躍琳

本發明公開一種基于改進牛頓法的傳感器節點分布式定位方法，主要解決大規模傳感器網絡中的定位問題。首先，根據節點位置和節點之間直接相連的距離信息，將無線傳感器網絡劃分為若干個重疊的子區域，并將子區域的定位問題歸結為無約束優化問題。每個子區域可以獨立計算。然后，使用分布式算法估計出子區域中未知位置節點的位置并進行局部融合，即：先使用基于單位步長的改進牛頓法估計子區域中未知位置節點的位置；再對重復估計的未知位置節點進行局部融合。實驗結果表明，與已有算法相比，該算法具有良好的擴展性，在大規模網絡中定位精度更高，能滿足大規模無線傳感器網絡中節點定位需求。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡技術領域，具體涉及一種基于改進牛頓法的傳感器節點分布式定位方法。

背景技術

隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)和無線通信技術的快速發展，使低成本，低功耗的傳感器大規模部署成為可能。無線傳感器網絡(WirelessSensor Network，WSN)由大量傳感器構成，能夠檢測各種物理信息，廣泛應用于軍事(狙擊手偵測系統)、醫療(病人檢測)、環境(大鴨島實驗)、家庭(用水檢測)、工業(預防性檢測)等領域。在這些應用中，傳感器節點感知到的信息與其位置結合起來才有意義。因此，傳感器節點的定位問題越來越受到人們的重視。盡管可以在傳感器上安裝全球定位系統(GlobalPositioning System，GPS)模塊來定位。但GPS模塊成本高，功耗大，會增加大規模部署成本。為了解決這一問題，目前的無線傳感器網絡多采用合作定位方法，即只對部分節點安裝GPS模塊，其余節點采用合作定位方法來估計。使用合作定位方法時，在WSN中隨機選取部分傳感器安裝GPS模塊，以獲取精確位置，并將事先已知位置的傳感器節點稱為已知位置(Location-aware，LA)節點或錨節點。對于其它未知位置的傳感器，稱為未知位置(Location-unaware，LU)節點，使用測距技術獲得節點之間的相互距離，之后采用合作定位方法對LU節點進行定位。

優化算法是比較典型的定位算法之一。優化算法可以分為集中式算法和分布式算法。集中式算法使用一個中央處理器收集節點之間的距離信息并進行定位計算。Biswas P，Liang T C和Toh K C等人提出了一種基于半正定規劃(Semi-Definite Programming，SDP)的集中式算法。通過對目標函數添加正則項來降低解的秩，然后使用梯度下降法細化節點的位置，提高了定位精度。但隨著網絡規模的增大，網絡通信量和中心節點的計算量變高，會超出中央處理器的處理能力。因此，集中式算法擴展性較低，只適合小規模的WSN。與集中式算法相比，分布式算法將處理器分配到每個節點上，每個處理器僅收集局部節點之間的距離信息并進行計算，有效降低了通信量和計算量，有良好的擴展性，可用于無中央處理器或大規模的WSN。但缺點是會導致誤差的傳播，降低定位精度。Srirangarajan S，Tewfik AH，和Luo Z Q使用二階錐規劃(second-order cone programming，SOCP)松弛技術將非凸的優化問題松弛為凸的優化問題。使用LU節點和局部距離信息將WSN劃分為若干個子區域，并提出了一種分布式算法，有良好的擴展性，能用于大規模網絡。但此算法對網絡邊界的LU節點定位效果不理想。Soares C，Xavier J，和Gomes J使用凸松弛方法來近似非凸的最大似然公式，利用優化特性提出了一種分布式算法，每個節點使用最優梯度法進行收斂，降低了通信量。但這種方法需要LU節點位于LA節點的凸包中，才能獲得較精確的定位。這在實際情況中難以滿足，導致網絡邊界定位效果不理想。Biswas P，Lian T C，和Wang T C等人提出了一種分布式定位算法，將錨節點和與其直接相連的傳感器節點構成一個子區域，對每個子區域使用SDP松弛方法進行求解。然后將估計誤差較低的LU節點作為偽錨節點，用來估計剩余的LU節點。但這種做法會導致誤差的積累和傳播。

發明內容

本發明所要解決的是大規模無線傳感器網絡中節點難以定位的問題，提供一種基于改進牛頓法的傳感器節點分布式定位方法。