張 琪，周勝梅，黃廷磊

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通信技術(shù)及無線定位技術(shù)也迅速發(fā)展起來。伴隨信息時(shí)代的到來，無線定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人員定位、救援等領(lǐng)域。我國(guó)礦難頻繁發(fā)生，這為國(guó)家和人民帶來了巨大的損失，所以礦下救援成為國(guó)家和煤礦企業(yè)非常重視的一個(gè)問題。礦下救援主要是對(duì)礦下人員的救援，其過程主要是確定礦下人員的準(zhǔn)確位置。無線定位技術(shù)的發(fā)展為礦下救援帶來了方便，它能大大加快救援速度。現(xiàn)有的定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還有待研究，為了進(jìn)一步改善其技術(shù)，定位算法的選擇至關(guān)重要。現(xiàn)有的定位算法有基于距離的算法（RSSI、TOA/TDOA和 AOA）和非基于距離的算法（質(zhì)心、DV-Hop、APIT、Amorphous、凸規(guī)劃）。

DV-Hop節(jié)點(diǎn)定位算法由于對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例要求較少，定位精度較高，從而可大大降低網(wǎng)絡(luò)的布置成本。以往對(duì)DV-Hop算法的改進(jìn)有：結(jié)合ZigBee技術(shù)來組建無線通信網(wǎng)絡(luò)；與加權(quán)質(zhì)心相結(jié)合；與RSSI算法結(jié)合等。文本在分析DV-Hop算法的誤差成因后，在保留其算法簡(jiǎn)單、不依賴于測(cè)距誤差優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。本文根據(jù)礦上地理位置進(jìn)行劃分范圍，以縮小查找未知節(jié)點(diǎn)的單位來提高定位精度。

1 DV-Hop定位算法

1.1 DV-Hop算法的基本思想

DV-Hop算法由Niculescu等人提出，其基本思想是將未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的距離用兩者之間的跳數(shù)和最近錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距的乘積表示,當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與3個(gè)或更多錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)進(jìn)行三邊測(cè)量定位。其具體過程分為以下三步：

(1)通過節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)獲取到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。

(2)在已知信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置和它們到未知節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)后，利用式（1）計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中平均每跳的距離，然后計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離。

其中，(xi，yi)、(xj，yj)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn) i、j的坐標(biāo)，hj為信標(biāo)節(jié)點(diǎn) i與 j(i≠j)之間的跳段數(shù)。

(3)未知節(jié)點(diǎn)在獲得3個(gè)或3個(gè)以上到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離時(shí)，利用三邊測(cè)量公式法(如式(2)所示)或極大似然估計(jì)值法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.2 DV-Hop算法的舉例基本思想

如圖 1所示，如果 A、B、C為信標(biāo)節(jié)點(diǎn),第(1)步泛洪后可得到跳數(shù)，根據(jù)它們的坐標(biāo)和跳數(shù)計(jì)算出相互間的距離，進(jìn)一步計(jì)算出平均每跳的距離：A為(20+40)/(3+5)=7.5；B 為(20+30)/(3+3)=8.33；C 為(30+40)/(3+5)=8.75。它們向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送該平均距離，最后未知節(jié)點(diǎn)P得到的平均距離是最小跳數(shù)對(duì)應(yīng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的平均每跳距離，即8.33，則 P到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為：P到A 為 8.33×2=16.66；P到 B 為 8.33×1=8.33；P到 C 為8.33×3=24.99，然后P根據(jù)這些距離和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)通過三邊測(cè)量法來計(jì)算自身坐標(biāo)[1]。

1.3 現(xiàn)有改進(jìn)的DV-Hop算法

[2]中，王新生等人提出了使用多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)估算的平均跳距并且采用加權(quán)平均跳距代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法中的平均跳距的改進(jìn)算法。參考文獻(xiàn)[3]中，沈明玉等提出了一種基于平均跳距和估計(jì)距離的改進(jìn)的DV-Hop算法。該算法考慮了未知節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的路徑與參考節(jié)點(diǎn)間的路徑可能存在重合或部分重合這一特性,對(duì)平均跳距進(jìn)行修改,并利用誤差對(duì)距離進(jìn)行修正。參考文獻(xiàn)[4]～[5]中，周小波、呂振等提出了基于RSSI的改進(jìn)型DV-Hop算法。

2 改進(jìn)DV-Hop算法

對(duì)提高定位精度的一個(gè)有效方法就是縮小查找范圍，從而減小定位誤差。以往的算法應(yīng)用于整個(gè)區(qū)域，而本文是將所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，將查找的區(qū)域分成多塊，再在未知節(jié)點(diǎn)所在的那塊區(qū)域應(yīng)用DV-Hop算法來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。具體步驟如下：

(1)將礦下整個(gè)區(qū)域看成是一個(gè)長(zhǎng)方形，那么未知節(jié)點(diǎn)就在這個(gè)長(zhǎng)方形范圍內(nèi)。把信標(biāo)節(jié)點(diǎn)均勻分布在這個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)，使其整個(gè)區(qū)域都能被信號(hào)覆蓋(此區(qū)域內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少能接收到1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播的信號(hào))。

(2)導(dǎo)致DV-Hop算法定位精度不高的一個(gè)主要原因就是對(duì)平均跳距的計(jì)算存在很大的誤差，本文利用RSSI測(cè)距技術(shù)來計(jì)算平均跳距。

未知節(jié)點(diǎn)收集鄰節(jié)點(diǎn)信息，選出RSSI最小值并確定此值所屬的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在邊界上，則另外選出與這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最相鄰的3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)新的區(qū)域；如果這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在其內(nèi)部，則選出與這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最相鄰的4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)新的四邊形區(qū)域。

(3)以9個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為例，位置分別在長(zhǎng)方形的頂點(diǎn)、中心和四邊的中點(diǎn)處,如圖2所示。如果測(cè)出RSSI最小值信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是 1，則選擇 1、2、8、9 或 1、7、8、9 四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成四邊形區(qū)域(一般礦下是非常窄的通道，選 1、7、8、9 比較合理)；如果是 2，則選取 1、3、9 三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成三角形區(qū)域；如果是 9，則選取 2、4、6、8這樣的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成四邊形區(qū)域。

(4)對(duì)已知坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行歸類。歸類方法：判定已知節(jié)點(diǎn)是否在新構(gòu)成的多邊形區(qū)域內(nèi)，若在，則保留這個(gè)節(jié)點(diǎn)作為新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)；否則放棄。如圖2所示，可以把已知節(jié)點(diǎn)歸類到A、B、C、D四個(gè)區(qū)域中。

(5)在未知節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域中，把已知信息的未知節(jié)點(diǎn)當(dāng)做信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，采用基本DV-Hop算法來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。

3 實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文算法的可行性，使用Matlab7.0作為仿真工具進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真環(huán)境是在100 m×100 m的正方形范圍內(nèi)[6]，隨機(jī)產(chǎn)生 191個(gè)未知傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和9個(gè)確定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的通信距離為15 m。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)取自20次仿真的平均值。初始節(jié)點(diǎn)分布圖如圖3所示。

縮小范圍后，節(jié)點(diǎn)分布圖如圖4所示。

節(jié)點(diǎn)分類后，保留4個(gè)固定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其余54個(gè)未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布。其中，也可將在其范圍內(nèi)的已知節(jié)點(diǎn)當(dāng)做新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這樣可大大提高對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位精度。

當(dāng)把隨機(jī)給出的未知節(jié)點(diǎn)分類后，得出54個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，在其范圍內(nèi)隨機(jī)定義5個(gè)已知的鄰節(jié)點(diǎn)和4個(gè)固定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為新的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。圖5所示為在縮小的范圍內(nèi)當(dāng)有9個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、54個(gè)未知節(jié)點(diǎn)時(shí)，每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的誤差。

圖6是在通信距離為50 m時(shí)的平均定位誤差圖，從圖中可以看出隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的增加，未知節(jié)點(diǎn)的定位誤差會(huì)相對(duì)減少。與原始的DV-Hop算法相比，改進(jìn)后的算法定位誤差減少了近20%。改進(jìn)后將4個(gè)固定節(jié)點(diǎn)當(dāng)做是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后隨著隨機(jī)增加信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來確定定位誤差。以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)占全部節(jié)點(diǎn)的比例作為圖中的橫坐標(biāo)，以未知節(jié)點(diǎn)的平均誤差作為縱坐標(biāo)。

介于礦下的特殊環(huán)境，本文介紹了一種基于DVHop的改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)定位算法，在保留傳統(tǒng)DV-Hop算法計(jì)算簡(jiǎn)單、通信開銷小的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，用縮小定位范圍的方法來提高定位精度。本文先對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模糊定位，確定未知節(jié)點(diǎn)在哪塊區(qū)域內(nèi)，再把已知坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，最后在縮小定位范圍內(nèi)使用DV-Hop算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此方法大大提高了定位精度，很適合于煤礦快速查找人員所在的位置。

參考文獻(xiàn)

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[2]王新生，趙衍靜，李海濤.基于 DV-Hop定位算法的改進(jìn)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，38(2)：76-78.

[3]沈明玉，張寅.基于改進(jìn)的平均跳距和估計(jì)距離的DVHop 定位算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28(2)：648-650.

[4]周小波，喬鋼柱，曾建潮.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于RSSI的加權(quán)DV-HOP定位方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，18(4)：93-96.

[5]呂振，李亞杰，孫延飛，等.基于 DV-Hop的修正和改進(jìn)定位算法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，29(8)：31-33.

[6]楊小瑩，張萬禮，房愛東.一種改進(jìn)的 DV-Hop定位算法[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，18(4)：23-25.