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无线传感器网络节点协作分布式相对定位算法.docx

发布:2023-10-23约6.56千字共6页下载文档
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无线传感器网络节点协作分布式相对定位算法 无线传感器网络的节点受到能耗和低利率的限制。许多节点不能通过外部方法(gps)获取位置信息,但没有位置数据的节点信息通常没有实际意义。因此,节点的定位应该通过节点的合作和位置来计算。节点通常随机分布在特定的区域,受节点分布、消息冲突、障碍物等因素的影响,一些节点无法满足位置计算的条件,而是迷失了自己的节点。为了解决这个问题,提出了相对定位联合算法的方法,并将二次集群和三边定位结合起来,以提高节点的效率。 1 节点分簇、节点局部转换与节点局部失效 相对定位算法的定位过程一般是以网络中一部分位置特殊的未知节点作为参考节点建立坐标系,其余节点通过消息传递和相互协作获得自身与参考节点的相对位置并计算相对坐标.对于基于距离的相对定位算法,由于存在测距误差,节点间大范围的消息传递会造成误差累积.将节点分簇进行定位的方法可以减少测距误差的累积.分簇算法一般是通过在网络中选取多个参考节点分别建立局部相对坐标系,其余节点在获取局部的相对坐标之后运用坐标变换或矢量计算的方法实现坐标统一.分簇方法实现定位只在局部区域进行消息传输,多跳传递较少,能减少计算过程中的累积误差.但是节点簇转换过程受到局部区域失效节点的影响比较严重,一旦节点簇内协助转换的节点失效,将会导致整个节点簇都无法定位. 通过二次分簇增加邻居节点簇数量,结合三边定位方法增加协助转换节点数量,可以解决转换过程受节点局部失效影响而导致的节点簇失效问题.由于大部分节点簇只需一次转换就实现最终定位,减少了重复转换,一方面能降低通信量,另一方面能够增强算法对节点分布的适应性. 2 相对定位算法 2.1 跳段距离的计算 法国巴黎大学的Farid Benbadis等人提出的GFF算法是一种距离无关算法.该算法使用类似DV-hop算法中距离矢量路由的思想,通过跳数估算节点之间的距离.主要流程是在靠近网络边界的区域选取三个点作为参考节点建立一个全局相对坐标系.其余节点接收自身到三个参考节点的最小跳数,然后以跳数代替直线距离使用三边定位法计算坐标. 该算法实现简单,定位过程不涉及复杂运算,对硬件要求较低.不过该算法要求节点密度较高,并且和DV-hop定位算法一样,以跳段距离代替直线距离,存在一定的误差. 2.2 确定相对坐标系 美国密苏里大学哥伦比亚分校的Xiaoli Li等人提出的Map-growing算法是基于距离的算法,该算法通过递归调用三边定位法实现节点坐标获取.首先在网络中节点密度较大的区域选取一个点作为相对坐标系的坐标原点,在其邻居节点里面选取两个点构建相对坐标系,选取原则是三点能构成一个良好三角形(三个内角都大于30度).能同时与这三个节点直接通信的未知节点通过三边定位方法计算得出坐标,其余节点只要有三个邻居节点已经实现定位,就能够使用相同的方法计算坐标并将坐标信息发布,直至所有满足条件的节点都实现定位.该算法通信量小,在节点密集的区域能获得较高的节点定位覆盖率,并且对节点分布没有特殊要求.但是受到测距误差累积的影响,远离坐标原点的节点定位误差较大. 2.3 聚类pet算法 美国仁斯利尔理工学院Rajagopal Iyengar等人提出的聚类SPA算法是典型的分簇定位算法,算法采用TOA测距方式,定位过程分局部坐标建立阶段和全局坐标转换阶段两步.算法开始运行之后,通过自身携带的定时器选取主节点,主节点一跳以内的其它节点声明为该主节点的从节点.主节点随机选择互为邻居节点的两个从节点建立局部坐标系,并计算得到其他从节点的局部坐标.在坐标转换阶段,主节点ID号大的节点簇向ID号比它小的相邻节点簇转换,最终以ID号最小的主节点为原点建立全局坐标系.聚类SPA算法通过分簇建立局部坐标,使得执行坐标变换的是每个节点簇,相比于每个节点都需要参与转换的算法,通信量和计算量得到了降低,并减少了测距误差的累积.但是该算法对节点密度和节点分布都有较高要求,在节点密度不高且分布不均匀的区域,失效节点较多. 相对定位算法无需锚节点,适合于远距离信号接收受限或有障碍物阻隔的区域.但是现有相对定位算法往往需要在高节点密度和较规则的网络拓扑结构中才能获得比较好的定位效果,一定程度上限制了相对定位算法的应用. 3 节点合作算法 针对现有算法对节点密度和节点分布要求较高的情况,提出通过节点协作分簇方式实现定位,以降低节点密度和节点分布对定位结果的影响. 3.1 节点分布不均匀对节点定位覆盖率的影响 对聚类SPA算法节点失效进行分析.在局部坐标定位阶段,在定时器计时完成之后生成节点簇,簇的主节点为坐标原点,收到两个主节点声明的节点为边界节点.局部坐标系中任一个点都需要除原点以外的两个已知局部坐标的邻居节点才能计算自身坐标,将无法满足该计算条件的从节点记作第一类失效节点.由于边界节点处
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