基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法

2023-05-14 20:47:41 3

專利名稱：基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法
技術領域：
本發明屬於水聲通信與水下網絡技術領域，涉及水下通信、水下節點定位、水下網絡三個領域，具體涉及一種基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法。
背景技術：
網絡節點自定位是水下傳感器網絡的支撐技術之一，對水下傳感器網絡應用來說，節點的位置信息非常重要，它可用於標識監測數據源的位置、網絡拓撲管理、基於節點位置的路由協議和基於地理位置的數據存儲技術等。它是當前海洋開發與海洋技術發展的基礎。在現代海洋高技術的不斷引入和支持下，水下定位技術在海底環境探測、海洋工程建設、海洋資源開發、海洋科學發展以及國家海洋權益的維護等多方面都將發揮極其重要的作用。自定位技術是無線傳感器網絡中一項重要技術，到目前為止，針對自定位問題人們提出了很多算法。根據定位算法是否需要使用鄰居節點之間的測距信息，定位算法大致可以分為兩類基於測距(Range-based)的定位算法和免測距(Range-free)的定位算法。基於測距的定位算法很多，代表性的算法有三邊測量法、三角測量法、極大似然定位法、AHLos算法、Generic Localized Algorithm算法、MDS-Map算法等。三邊測量法、 三角測量法和極大似然定位法通過測量與多個鄰居錨節點(即位置信息已知的節點)的距離或角度信息得到未知節點自身坐標。使用這三種方法運算量不大，定位精度也較高但所需錨節點數較大。在錨節點稀疏的網絡中，AHLos算法、GenericLocalized Algorithm算法將定位後的未知節點升級為準錨節點，完成多跳網絡內結點自定位。這兩種算法解決了錨節點較稀疏時的問題，但由於對多跳未知節點的準錨節點升級使得測距誤差與定位誤差累積，導致結點自定位精度不高，尤其是在錨節點很少網絡直徑較大的網絡中。MDS-Map算法通過從全局角度生成網絡中節點間的距離矩陣，根據距離矩陣給出的節點間的連通信息如鄰居節點的測量距離，通過最短路徑法粗略地估計未知結點到錨節點之間的距離，進而完成網絡結點自定位。為獲取網絡距離矩陣，該算法存在通信量大的問題，基於距離估計值計算結點定位信息，將導致低的定位精度。非測距網絡結點自定位方法，利用平均單跳距離、未知結點到錨節點的平均跳數等信息以及質心理論，採用一定的距離估計方法估計未知結點到錨節點之間的距離，進而完成結點自定位。一般而言，非測距網絡結點自定位方法獲得的定位精度要低於基於測距的網絡結點自定位方法。水下無線多跳網絡中，GPS無線電信號在水下衰減很快，必須通過其他複雜手段才能獲得水下無線傳感器網絡節點的絕對位置信息，因此錨節點數量不宜過多。為此，如何在錨節點很少的情況下，以低的開銷完成每個結點的精確自定位是水下無線多跳網絡結點自定位研究的關鍵。基於雙速率的水下無線多跳網絡節點自定位方法無法直接用於水下無線網絡結點的三維自定位。

發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法，針對水下無線多跳網絡錨節點密度小、帶寬與能耗有限等特點，解決現有技術中存在的定位精度低問題。技術方案 一種基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法，其特徵在於水下無線多跳網絡由錨結點和若干普通結點組成，利用低速率傳輸LM實現無線多跳網絡結點間的精確測距，利用高速率傳輸HM實現網絡結點間的其他信息傳輸；所述錨結點是能夠得到其絕對位置信息的網絡結點，或無法獲得其絕對位置信息但可以作為網絡其他結點定位參考的結點；所述普通結點為通過其與錨結點進行通信得到距離信息進而完成自定位的待定位結點；具體步驟如下步驟I :錨結點NI採用LM模式在h時刻發送hello分組；所述hello分組內包括該分組的類型、發送該hello分組的結點的ID、發送該hello分組的結點的類型、發送該 hello分組的時刻等信息；步驟2 :在\時刻普通結點i收到該hello分組，i表示普通結點的ID, i = 1,2, 3——η-I ;依據Di,N1 = Tproc · Vs計算該普通結點i與錨結點之間的距離，其中TpM。表示聲信號在水聲信道中的傳播時延TPM。= (t-O，Vs表示聲波在水中的傳播速度；；步驟3 :普通結點i依據其結點ID的次序，採用LM模式依次發送其產生的hello 分組，每個結點廣播hello分組的時刻分別為t' i ；步驟4 :錨結點NI收到來自任意普通結點i的hello分組的時刻為C N1, i，任意普通結點i收到來自任意普通結點j的hello分組的時刻為t' i,」，其中j ^ i, j = 1,2, 3——n-1 :依據Dni,」=(t' N1, j_t' i) · Vs計算錨結點NI到任意普通結點j之間的距離； 依據Di,」=(t'i) · Vs計算任意普通結點i到j的距離；步驟5 :由步驟4得到的錨結點NI到任意普通結點之間的距離，按照 DmJ =Hiax(Z)jvu,Dm2,Djvu,，選取距離錨結點NI最遠的普通結點作為第二個參考結點N2，即N2 = j* ；N1將獲得的全部測距信息(Dnui, Dn1j2, Dn1j3, , Dni,J以HM模式發給N2 ；步驟6 N2依據本地測距信息{DN2,1; Dn2j2, Dn2j3, , DN2, n_J及由步驟5中收到來自錨結點 NI 的測距信息{DN1,1; Dn1j2, Dn1j3, , Dni, n_J，按照 Dm,r +DN2,r = max{DNll + Dn21,
1,2 +DjV22, Dn13 Dn23^..nl + DNi,n-\)，選擇距離NI與N2之和最大的結點作為第三個參考結點N3，即N3 = j**,N2將NI和N2的全部測距信息(Dn1YDni^Dni, 3，· · · ·，Dn1 _ n_!}、{Dn2j 11 DN2,2，Dn2,3，■■■■■> Dn2, n-1 }以HM模式發給N3 ；步驟7 N3 依據本地測距信息{DN3,1; Dn3j2, Dn3j3, , DN3, n_J 及由步驟6中收到來自結點N2的關於NI、N2的測距信息{D^，Dn1j2, Dn1j3, , Dni , Ii-I^ 和(Dn2i1, DN2，2，DN2，3，· · · ·，DN2，n—J，按照+^V2，/** +^iV3，/**
七Dmi七DmvDm2七Dm2七Dm2,DN2、3~\~Dm、3」…，Dm--)，選擇距尚N1、N2與N3之和最大的結點作為第四個參考結點N4,即N4 = j***，N3將自身的IDj**、第四個參考結點N4的IDj_及N2到N3間的距離Dn2, N2到N4間的距離Dffi,N4、N3到N4間的距離DN3, N4以LM模式發給錨結點NI ；步驟8 :依據步驟5、6和7得到的三個參考結點N2、N3和N4，錨結點NI建立以錨結點NI為原點的坐標系以NI為原點，NI與N2的連線作為X軸，N2的坐標為(DN1,N2，0，O)，Y 軸定義為以沿X軸逆時針旋轉90度所得的方向線，Z軸為垂直於XY平面的方向線，在以此
坐標系下利用 Dni，N2、Dni，N3、^ni，N4、^N2，N3、 DN2,N4 與 DN3,N4 計算 N3 與 N4 的坐標(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4),
其中
權利要求
1.一種基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法，其特徵在於水下無線多跳網絡由錨結點和若干普通結點組成，利用低速率傳輸LM實現無線多跳網絡結點間的精確測距，利用高速率傳輸HM實現網絡結點間的其他信息傳輸；所述錨結點是能夠得到其絕對位置信息的網絡結點，或無法獲得其絕對位置信息但可以作為網絡其他結點定位參考的結點；所述普通結點為通過其與錨結點進行通信得到距離信息進而完成自定位的待定位結點；具體步驟如下步驟1 :錨結點NI採用LM模式在％時刻發送hello分組；所述hello分組內包括該分組的類型、發送該hello分組的結點的ID、發送該hello分組的結點的類型、發送該hello 分組的時刻等信息；步驟2 :在t時刻普通結點i收到該hello分組，i表示普通結點的ID，i = 1,2, 3——η-I ;依據Di,N1 = Tproc · Vs計算該普通結點i與錨結點之間的距離，其中TpM。表示聲信號在水聲信道中的傳播時延TPM。= (t-O，Vs表示聲波在水中的傳播速度；；步驟3 :普通結點i依據其結點ID的次序，採用LM模式依次發送其產生的hello分組， 每個結點廣播hello分組的時刻分別為t' i ;步驟4 :錨結點NI收到來自任意普通結點i的hello分組的時刻為t' Nui，任意普通結點i收到來自任意普通結點j的hello分組的時刻為t' i,其中j ^ i, j = 1,2, 3——n-1 :依據Dni,」=(t' N1, j_t' i) · Vs計算錨結點NI到任意普通結點j之間的距離； 依據Di,」=(t'i) · Vs計算任意普通結點i到j的距離；步驟5 :由步驟4得到的錨結點NI到任意普通結點之間的距離，按照 DmJ =Hiax(Z)jvu,Dm2,Djvu,，選取距離錨結點NI最遠的普通結點作為第二個參考結點N2，即N2 = j* ；N1將獲得的全部測距信息(Dnui, Dn1j2, Dn1j3, , Dni,J以HM模式發給N2 ；步驟6 N2依據本地測距信息{DN2,1; Dn2j2, Dn2j3, , DN2, n_J及由步驟5中收到來自錨結點 NI 的測距信息{DNia，Dn1j2, Dni,3，, Dni, n_J，按照 Dm,r +DN2,r = max(Z)a,j j + DN2 l,Dni 2 + Dn2^2, Dn13 + Dn2 3,....,Dni n l + Dn2 n l}，選擇距尚 NI 與 N2 之和最大的結點作為第三個參考結點N3，即N3 = j**,N2將NI和N2的全部測距信息(Dn1YDni^Dni, 3，· · · ·，DNljn_J、{DN2j1,Dn2，2，DN2，3，· · · ·，Dn2, n-! }以HM模式發給N3 ；步驟7 N3依據本地測距信息{Fm，Dn3j2, Dn3j3, , Dn3j n_J及由步驟6中收到來自結點N2的關於NI、N2的測距信息(Dnui, Dn1j2, Dn1j3, , Dni, η-ι^ 和(Dn2i1, Dn2,2，Dn2j3 · · · ·，Dn2j n_!}，按照 Dmj- + Dn2'.廣 + rmxI^Vl1I +^N2,i+^N2,2 +^3,2 ^Ni,3 +^2,3 + ^3,35""5+ ^N2,n-i + ^N3,n-i} ' 選擇距尚N1、N2與N3之和最大的結點作為第四個參考結點N4,即N4 = j***，N3將自身的IDj**、第四個參考結點N4的IDj_及N2到N3間的距離Dn2, N2到N4間的距離Dffi,N4、N3到N4間的距離DN3, N4以LM模式發給錨結點NI ；步驟8 :依據步驟5、6和7得到的三個參考結點N2、N3和N4，錨結點NI建立以錨結點 NI為原點的坐標系以NI為原點，NI與N2的連線作為X軸，N2的坐標為(DN1,N2，0，O)，Y軸定義為以沿X軸逆時針旋轉90度所得的方向線，Z軸為垂直於XY平面的方向線，在以此坐標系下利用 Dn1，N2、Dni，N3、Dni，N4、^Ν2, Ν3λ ^n2, ν4 與DN3，m計算Ν3與N4的坐標(x3，y3，z3)和(x4，
全文摘要
本發明提出的一種基於雙速率的水下無線多跳網絡節點三維自定位方法，其具有以下優點1.適用於錨節點稀疏的水下無線多跳網絡結點自定位，大大提高了水下無線多跳網絡結點定位精度。本發明採用低速率模式完成測距，可以大大提高單跳覆蓋範圍，避免現有單速率無線多跳網絡中存在多跳測距帶來的累積測距誤差與大的開銷，獲得高的無線多跳網絡結點自定位精度。2.有效降低結點定位帶來的能耗與開銷。基於雙速率的傳輸模式保證無線多跳網絡的低能耗，算法簡單有效，大大降低定位過程中產生的控制分組的信息量。
文檔編號H04W64/00GK102612140SQ201210086938
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者李保軍, 李雪, 王海燕, 申曉紅, 白衛崗, 趙瑞琴, 高婧潔 申請人:西北工業大學