[發(fā)明專利]基于Barzilai-Borwein梯度法的無線傳感器網絡分布式定位方法

有效

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• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111314847B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發(fā)明（設計）人: 蔣俊正;李楊劍;趙海兵
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H04W4/02
• 分類號: H04W4/02;H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 覃永峰

本發(fā)明公開了基于Barzilai?Borwein梯度法的無線傳感器網絡分布式定位方法，其特征在于，包括如下步驟：1）定義網絡；2）將WSN中節(jié)點定位問題歸結為無約束的優(yōu)化問題；3）重新構造無約束優(yōu)化問題，進而給出子圖中的無約束優(yōu)化問題；4）采用極大似然估計法估計出未知位置節(jié)點的初始位置；5）采用分布式方法對優(yōu)化問題進行迭代求解，獲取最終定位。這種方法能解決大規(guī)模無線傳感器網絡中節(jié)點難以定位的問題，且定位精度高、計算復雜度低。

技術領域

本發(fā)明涉及無線傳感器網絡技術領域，具體涉及一種基于Barzilai-Borwein梯度法的無線傳感器網絡分布式定位方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，簡稱WSN)是由大量微小的傳感器構成的自組織網絡。WSN中傳感器節(jié)點可以檢測監(jiān)控區(qū)域中的物理信息并進行數據處理，將處理后的數據以無線通信的方式傳送到基站。近年來，無線通信技術，納米技術和微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS)技術得到了快速發(fā)展，這些技術降低了傳感器的體積、功耗和成本，使傳感器可以大規(guī)模部署。WSN有許多應用，如醫(yī)學應用中的病人檢測，環(huán)境應用中火山檢測，家庭應用中用水檢測等。

在上述廣泛應用中，檢測到的信息需要與傳感器節(jié)點的位置結合起來，才能提供更有效的數據信息，因此，WSN中傳感器節(jié)點的定位方法受到了廣泛關注。例如可以在傳感器中嵌入中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS)模塊或全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)模塊進行定位，但這些模塊成本高，功耗大，無法適用于大規(guī)模的WSN，因此，選擇少量的傳感器節(jié)點嵌入BDS或GPS模塊，這些節(jié)點稱為錨節(jié)點或已知位置(Location-Aware，簡稱LA)節(jié)點，可以獲得較精確的位置信息，其它傳感器節(jié)點則稱為未知位置(Location-Unaware，簡稱LU)節(jié)點，之后采用測距技術，如：接收信號強度(Received-Signal-Strength，簡稱RSS)等測得WSN中傳感器節(jié)點之間的距離，最后使用定位方法估計出WSN中LU節(jié)點的位置。

目前，已有許多定位方法，從數據處理角度，可以將定位方法分為集中式定位方法和分布式定位方法。集中式定位方法將定位所需信息通過多跳的方式傳遞給存儲、計算能力較強的中央處理器進行處理，趙海兵和蔣俊正提出了一種基于圖模型的集中式定位方法，將定位問題歸結為無約束的優(yōu)化問題，之后采用修正牛頓法進行求解，得到了較好的定位精度和定位速率，但該方法需要對Hessian矩陣求逆，導致計算復雜度較高；而分布式定位方法使用傳感器節(jié)點自帶的處理器，對收集到的局部信息進行處理，分布式定位方法有效降低了通信代價和計算復雜度，具備良好的擴展性，可用于大規(guī)模WSN，但缺點是利用的信息較少，定位精度會降低。Srirangarajan S，Tewfik A H，和Luo Z Q將非凸的定位問題松弛為凸的二階錐規(guī)劃(Second-Order Cone Programming，簡稱SOCP)問題，利用LU節(jié)點及其鄰居信息，設計分布式SOCP定位方法進行求解，該方法可用于大規(guī)模WSN中，但定位精度較低；Soares C，Xavier J，和Gomes J提出了一種分布式定位方法，在每個LU節(jié)點上，將非凸的定位問題松弛為凸的定位問題，并使用梯度法進行求解，在通信半徑較小的情況下也有較好的定位效果，降低了通信代價，但該方法部署的LU節(jié)點需要在LA節(jié)點形成的凸包中，才能有好的定位效果；Sanyal R,Jaiswal M,and Chaudhury K N.將WSN劃分為子圖，每個子圖需要滿足文中提出的剛性條件，使用多維標度方法對每個子圖進行定位，然后將局部坐標映射到全局坐標系統(tǒng)，該方法所需的LA節(jié)點數目較少，且劃分的子圖數目較少，定位精度較高，但該方法當通信半徑較小，子圖無法滿足剛性條件時，無法定位。

發(fā)明內容