劉士興,黃俊杰,劉宏銀,易茂祥

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,合肥 230009)

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基于多通信半徑的加權(quán)DV-Hop定位算法*

劉士興*,黃俊杰,劉宏銀,易茂祥

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,合肥 230009)

DV-Hop定位算法是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種常用的基于非測(cè)距的定位技術(shù),該算法使用平均跳距表示實(shí)際距離,在實(shí)際應(yīng)用中造成很大的誤差和節(jié)點(diǎn)能耗。為此,分析了加權(quán)DV-HOP定位算法,并在加權(quán)算法基礎(chǔ)上,引入多通信半徑廣播方法細(xì)化節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù),最后提出了一種基于加權(quán)DV-HOP的改進(jìn)型RWDV-Hop定位算法。仿真結(jié)果證明,加權(quán)DV-HOP在定位精度上比DV-HOP算法提高了7.3%,改進(jìn)型RWDV-HOP在定位精度上比加權(quán)DV-HOP算法提高了6.7%。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);DV-Hop定位算法;信標(biāo)節(jié)點(diǎn);加權(quán)算法

近年來(lái),隨著低功耗嵌入式技術(shù),微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanism),無(wú)線通信技術(shù)SOC(System on Chip)和無(wú)線通信(Wirless Communication)的飛速發(fā)展,無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是一種自組織的網(wǎng)絡(luò),具有低功耗,低成本,體積小以及分布式等特點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知的一場(chǎng)技術(shù)革命,是21世紀(jì)重要的技術(shù)之一。因此,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息是至關(guān)重要的,沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè),采集到數(shù)據(jù)也就沒(méi)有了實(shí)際意義。因此,在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,確定事件發(fā)生的位置是至關(guān)重要的。只有傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息是確定的,才能獲得事件發(fā)生的具體位置,從而采取何種方式或者決策。基于以上的分析,傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

根據(jù)定位機(jī)制,將現(xiàn)有的定位算法分為兩種,即基于測(cè)距的定位算法(range-based)和與距離無(wú)關(guān)(range-free)的定位算法[2]。前者需要額外增加硬件來(lái)測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或者方位,并利用節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置;后者無(wú)需額外的硬件測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位,而是利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。常用的與距離相關(guān)的定位技術(shù)有RSSI、TOA、TDOA和AOA。這類算法定位精度相對(duì)較高,但是成本與能耗開(kāi)銷也較大。與距離無(wú)關(guān)的定位算法利用網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行定位,常用的有質(zhì)心算法、DV-Hop[3]、Amorphous[4]、APIT[5]等,這類算法成本和功耗較低,應(yīng)用更加廣泛。

DV-Hop算法是目前應(yīng)用最廣泛的定位算法之一,針對(duì)DV-Hop算法改進(jìn)研究,本文提出了提高節(jié)點(diǎn)定位精度的加權(quán)DV-Hop算法和降低功耗的基于節(jié)點(diǎn)密度的定位算法。

1 DV-HOP算法

DV-Hop定位算法是由Niculescud等人提出的一種基于距離矢量計(jì)算跳數(shù)的算法。其基本思想是將未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離用平均跳距和兩者之間跳數(shù)的乘積表示,具體步驟如下[6]:

①信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息泛洪廣播和所有節(jié)點(diǎn)獲取距離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用泛洪廣播方式將其位置信息采用分組形式傳遞給其鄰居節(jié)點(diǎn),廣播的信息包格式為:{Idi,xi,yi,Hopsi},其中包含了該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)Idi、位置坐標(biāo)(xi,yi)以及跳數(shù)信息Hopsi,初始Hopsi的值為0。接收到此數(shù)據(jù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)將此信息記錄下來(lái),然后繼續(xù)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播,每廣播一次就將Hopsi加1,并將分組信息以{Idi,xi,yi,Hopsi}的格式存儲(chǔ)到自己的數(shù)據(jù)表中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到有相同Id的數(shù)據(jù)包時(shí),對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)包中的Hopsi進(jìn)行比較,如果新的跳數(shù)小于原表中保存的跳數(shù),則用新的跳數(shù)替換節(jié)點(diǎn)中的信息,這就意味著找到了一條更短的到達(dá)該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑。如果新的跳數(shù)大于節(jié)點(diǎn)中的跳數(shù),則丟棄該數(shù)據(jù)包,也不再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

②計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離。經(jīng)過(guò)第1步后,每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲得了其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和最小跳數(shù)。這時(shí)通過(guò)式(1)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離。

(1)

式中:(xi,yi),(xj,yj)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i,j的坐標(biāo),hi為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i與j(i≠j)之間的跳段數(shù),HopSize為求出的平均跳距。

③信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將平均跳距廣播到網(wǎng)絡(luò),通過(guò)式(2)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離du,i。

du,i=HopSize·hu,i

(2)

當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)得到3個(gè)或者更多節(jié)點(diǎn)之間的距離后,再通過(guò)三邊測(cè)量法[7]或者極大似然估計(jì)等數(shù)學(xué)方法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 加權(quán)DV-Hop算法

在實(shí)際使用中,DV-Hop算法的定位精度受到節(jié)點(diǎn)密度及其分布情況影響。網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度越大,分布越合理,則定位精度越高,反之則定位誤差大。

2.1DV-Hop算法誤差分析

在實(shí)際使用中,部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的成本較高,因而信號(hào)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)不會(huì)很多。另外,節(jié)點(diǎn)通常是隨機(jī)放置在探測(cè)環(huán)境中,難以保證信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分布的合理性[8-9]。綜上,實(shí)際使用中,DV-Hop定位算法會(huì)有很大的定位誤差。

DV-Hop定位算法使用跳段數(shù)與平均每跳距離的乘積來(lái)得到未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離。這種估算方法有時(shí)候會(huì)有很大誤差,例如圖1對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):

圖1 DV-Hop誤差分析

圖1中,A1、A2和A3為信標(biāo)節(jié)點(diǎn),U1、U2、U3、U4、U5和A為未知節(jié)點(diǎn)。對(duì)于未知節(jié)點(diǎn)A,由于A2離它最近,所以A應(yīng)該從A2獲取HopSize值。由式(1)得HopSize=(40+25)/(2+5)=10.7,那么3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與A之間的距離分別為A1:10.7×3,

A2:10.7×2,A3:10.7×3。但是A與3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)距離分別為:50、40和50 m,這使得定位誤差非常大。在該網(wǎng)絡(luò)中,A2與A3真實(shí)距離很小,只是略大于通信半徑,用A2與A3來(lái)估算每跳距離,所得的誤差就非常大。

2.2 加權(quán)DV-Hop算法

針對(duì)上文中提到的關(guān)于DV-Hop定位算法中使用相同的平均跳距來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離的定位誤差問(wèn)題,有些學(xué)者提出了加權(quán)DV-Hop定位算法[10-11]。該算法的基本思想是在DV-Hop定位算法中,通過(guò)加權(quán)系數(shù)的大小體現(xiàn)不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)運(yùn)算中的影響力大小,然后通過(guò)加權(quán)平均跳距估算未知節(jié)點(diǎn)的位置。實(shí)際使用中,不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的加權(quán)系數(shù)Wi通過(guò)式(3)確定:

(3)

式中:ni表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i與未知節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù),

根據(jù)式(4),得未知節(jié)點(diǎn)的加權(quán)平均跳距為:

(4)

使用加權(quán)后的平均跳距,代入DV-Hop定位算法的第3步,計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離,再通過(guò)三邊測(cè)量法或者極大似然估計(jì)等數(shù)學(xué)方法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

3 改進(jìn)加權(quán)DV-Hop算法

3.1 加權(quán)DV-Hop算法誤差分析

在DV-Hop和加權(quán)算法中,計(jì)算跳數(shù)的時(shí)候,只要節(jié)點(diǎn)在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信半徑R以內(nèi),無(wú)論遠(yuǎn)近跳數(shù)都為1跳,則該算法計(jì)算出的平均跳距誤差將會(huì)很大。如圖2所示,未知節(jié)點(diǎn)U1到未知節(jié)點(diǎn)U2的距離比節(jié)點(diǎn)U2到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A的距離小的多,而在加權(quán)DV-Hop算法中,將U1到U2和U2到A的跳數(shù)都記為1跳,因此在這種情況下計(jì)算平均跳距將產(chǎn)生很大的誤差[12]。

圖2 節(jié)點(diǎn)分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 基本思想

根據(jù)前文分析,通信半徑和信鄰節(jié)點(diǎn)是加權(quán)DV-Hop定位算法中的重要兩個(gè)因素。因此,如果能夠得到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間更準(zhǔn)確的距離,無(wú)疑能夠提高所有未知節(jié)點(diǎn)的定位精度。本文參考文獻(xiàn)[13],對(duì)每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)引入多通信半徑廣播數(shù)據(jù),細(xì)化信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。

鑒于通信半徑R是對(duì)所有節(jié)點(diǎn)而言是相對(duì)固定的,因此信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以通信半徑R廣播數(shù)據(jù)時(shí),鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)記為1,然后節(jié)點(diǎn)以不同的通信半徑廣播數(shù)據(jù),不同的通信半徑代表不同的跳數(shù),這樣可以細(xì)化信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。

設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通信半徑為R,信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離為d,跳數(shù)為h,若節(jié)點(diǎn)以通信半徑R/n廣播數(shù)據(jù),i為小于n的整數(shù),則通過(guò)不同的通信半徑廣播數(shù)據(jù)之后,跳數(shù)h為:

(5)

該算法使加權(quán)DV-Hop定位算法的跳數(shù)值不再是整數(shù),而是小數(shù),這有效提高了跳數(shù)值的準(zhǔn)確性,從而降低了定位誤差。

3.3 改進(jìn)算法的具體步驟

(1)計(jì)算信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)

網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí),信標(biāo)節(jié)點(diǎn)首先以通信半徑R/n向網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù),同時(shí)把接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)記為1/n跳。數(shù)據(jù)包格式同DV-Hop定位算法。經(jīng)過(guò)時(shí)間T之后,信標(biāo)節(jié)點(diǎn)再以通信半徑2R/n向網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù),接收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)首先查詢是否記錄過(guò)該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息,如果沒(méi)有,將該未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)記為2/n,如果有,則不改變跳數(shù)信息,并將信息轉(zhuǎn)發(fā)。以此類推,最后信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以通信半徑R廣播數(shù)據(jù),收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)首先查詢是否記錄過(guò)該信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息,如果沒(méi)有,將該未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)記為1,如果有,則不改變跳數(shù)信息。這樣通過(guò)不斷的轉(zhuǎn)發(fā),所有節(jié)點(diǎn)都能得到與錨節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)。

(2)計(jì)算各錨節(jié)點(diǎn)之間的平均跳距

參考加權(quán)DV-Hop定位算法,利用步驟(1)得到的跳數(shù)信息,通過(guò)平均跳距公式和加權(quán)系數(shù),計(jì)算出各錨節(jié)點(diǎn)之間的加權(quán)平均跳距。

4 算法仿真驗(yàn)證

采用MATLAB軟件對(duì)上述算法進(jìn)行仿真,并對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[14]。仿真環(huán)境為100m×100m的正方形區(qū)域,區(qū)域中隨機(jī)分布100個(gè)節(jié)點(diǎn)。在相同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)條件下,進(jìn)行100次重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值的方法,對(duì)定位誤差進(jìn)行評(píng)估。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的估算位置為(xc,yc),節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置為(xi,yi),則未知節(jié)點(diǎn)的定位誤差為[15-16]:

(6)

式中:R為節(jié)點(diǎn)的通信半徑,N為未知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

圖3為通信半徑R為20m時(shí),信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以R/2、R/3、R/4 3種不同通信半徑廣播數(shù)據(jù)時(shí),節(jié)點(diǎn)定位的誤差仿真圖。

從圖3可以得出,信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以四通信半徑廣播數(shù)據(jù)時(shí),節(jié)點(diǎn)的定位誤差最小,三通信半徑次之,兩通信半徑的定位誤差最大。例如,當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為16時(shí),n值取4及四通信半徑時(shí),節(jié)點(diǎn)的定位誤差為32.1%,而在節(jié)點(diǎn)以三通信半徑和兩通信半徑廣播數(shù)據(jù)時(shí),節(jié)點(diǎn)的定位誤差分別為34%和38.1%。由此,可以得到,n值越大,節(jié)點(diǎn)通信半徑越小,跳數(shù)劃分的越細(xì),節(jié)點(diǎn)的定位誤差越小。

圖3 不同通信半徑時(shí)的定位誤差(R=20 m)

圖4和圖5分別是節(jié)點(diǎn)通信半徑為20m和25m時(shí),本文提出的多通信半徑定位算法(RWDV-Hop算法)、加權(quán)DV-Hop算法和DV-Hop算法在錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)的定位誤差仿真圖。

圖4 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與定位誤差的關(guān)系(R=20 m)

圖5 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與定位誤差的關(guān)系(R=25 m)

從圖中可以看出,在相同的通信半徑和錨節(jié)點(diǎn)比例下,RWDV-Hop定位算法定位精度最高,加權(quán)DV-Hop定位算法次之,DV-Hop定位算法定位誤差最大。

例如:從圖5可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)通信半徑為25 m,錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目為14時(shí),DV-Hop定位算法的定位誤差為48.2%,加權(quán)DV-Hop定位算法的定位誤差為42.1%,而RWDV-Hop定位算法的定位誤差為38.2%。

從圖4可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)通信半徑為20m,錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目為14時(shí),DV-Hop定位算法的定位誤差為46.8%,加權(quán)DV-Hop定位算法的定位誤差為43.1%,而RWDV-Hop定位算法的定位誤差為39.3%。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目為16時(shí),加權(quán)DV-Hop定位算法比DV-Hop定位算法的定位誤差小了4.4%,而RWDV-Hop定位算法的定位誤差比加權(quán)DV-Hop定位算法的定位誤差小了3.5%。

由此說(shuō)明本文提出的基于多通信半徑的定位算法,在相同的環(huán)境以及相同的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目條件下,該算法相對(duì)于加權(quán)DV-Hop算法和DV-Hop定位算法,在對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算上更加準(zhǔn)確即該算法的定位精度最高。

圖4和圖5比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)節(jié)點(diǎn)通信半徑增大,定位誤差降低。這是因?yàn)?通信半徑影響節(jié)點(diǎn)的連通度,會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)及節(jié)點(diǎn)的平均跳距計(jì)算產(chǎn)生影響。

6 結(jié)論

本文介紹了現(xiàn)有的DV-Hop定位算法,分析了該算法存在定位精度低缺陷。加權(quán)DV-Hop定位算法通過(guò)加權(quán)系數(shù),修正了平均跳距,有效的降低了定位誤差。本文提出的RWDV-Hop算法,使用多個(gè)通信半徑廣播自身的分組信息,從而獲得未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間更精確的跳數(shù),從而計(jì)算更加精確的加權(quán)平均跳距。利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明本文提出的RWDV-Hop算法比DV-Hop定位算法和加權(quán)DV-Hop定位算法在定位精度上有明顯的提高。

本文討論的算法都是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的仿真,但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中往往會(huì)因?yàn)闇囟?、濕度以及大氣壓?qiáng)等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)定位造成影響。如何在考慮這些影響因素的前提下來(lái)提高節(jié)點(diǎn)的定位精度還有待進(jìn)一步的研究。

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劉士興(1969-),男,畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),現(xiàn)任合肥工業(yè)大學(xué)副教授。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),多參數(shù)火災(zāi)探測(cè);

黃俊杰(1991-),男,安徽明光人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士在讀,主要研究方向物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、火災(zāi)探測(cè)等,askao_know@163.com;

劉宏銀(1988-),男,安徽天長(zhǎng)人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士在讀,主要研究方向物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、火災(zāi)探測(cè)等,liuhongyin115@163.com。

An Improving DV-Hop Algorithm Based onMulti Communication Radius*

LIUShixing*,HUANGJunjie,LIUHongyin,YiMaoxiang

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

DV-Hop is one of the most common used localization algorithms in range-free algorithms. This algorithm uses hop distance instead of the actual distance,which results in localization error and large energy consumption. The weighted DV-Hop algorithm is analyzed,and an improved algorithm based on the weighted DV-Hop is proposed. The improved algorithm broadcasts the data using multi communication radius and refines the hops to reduce the location error. The average hop distance depended on the neighbor nodes and the communication radius is corrected in this new algorithm. The simulation shows that the improvement of the improved algorithm on the positioning precision is 6.7%.

wireless sensor networks;anchor node;weighted algorithm;DV-Hop

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)面上基金項(xiàng)目(61371025);安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2012Z316)

2015-01-06 修改日期:2015-02-16

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.018

TN929.52

A

1004-1699(2015)06-0883-05