呂春峰,朱建平,陶正蘇

(1.上海海洋大學(xué)大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306;2 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61362017)

2016-12-08修改日期2017-07-04

一種基于IDV-Hop算法的改進(jìn)定位機(jī)制*

呂春峰1,朱建平1,陶正蘇2*

(1.上海海洋大學(xué)大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306;2 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位或者事件定位越來越受到重視?；诰嚯x無關(guān)的定位機(jī)制DV-Hop,提出了一種改進(jìn)定位算法IDV-Hop(Improved DV-Hop)。首先,對(duì)DV-Hop進(jìn)行分析,提出了DV-Hop的局限性;根據(jù)這些局限性,結(jié)合密集節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)際,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施;其次,基于改進(jìn)的措施,提出了融合了HTC傳送機(jī)制及權(quán)重最小二乘法的IDV-Hop協(xié)議;而且,為了提高系統(tǒng)的定位性能,提出了兩個(gè)重要的參數(shù):校正系數(shù)kc和權(quán)重因子wNx,i;最后,基于跳距、節(jié)點(diǎn)密度、錨節(jié)點(diǎn)分布比例、傳輸半徑等參數(shù),對(duì)IDV-Hop協(xié)議的性能進(jìn)行仿真分析;并將基于IDV-Hop算法的定位機(jī)制性能與其他的典型的DV-Hop機(jī)制比較,得出了對(duì)于大規(guī)模定位網(wǎng)絡(luò),基于IDV-Hop算法的機(jī)制優(yōu)于其他機(jī)制的結(jié)論。

基于距離無關(guān)定位;IDV-Hop定位;權(quán)重最小二乘法;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

隨著傳感器技術(shù)、MEMS技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)得到了更為廣泛的應(yīng)用。沒有具體的地理位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者事件,對(duì)于觀測者或者觀測中心來說,都是沒有任何意義的,定位技術(shù)也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù),研究高效、節(jié)能、精準(zhǔn)的定位機(jī)制是延長網(wǎng)絡(luò)壽命、提高定位精準(zhǔn)度、保證定位實(shí)時(shí)性的保障。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法根據(jù)是否測量距離可以分成兩類:基于距離(Range-based)的算法和距離無關(guān)(Range-free)的定位算法[1-2]?；诰嚯x的定位主要是直接測量未知節(jié)點(diǎn)的確切距離或者角度,典型的Range-based定位方法主要包括:基于到達(dá)時(shí)間TOA(Time of Arrival)[3]、基于到達(dá)時(shí)間差TDOA(Time difference of Arrival)[4]、基于到達(dá)角度AOA(Angle of Arrival)[5]、基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI(Received Signal Strength Indicator)[6]等。基于距離的算法定位精度高,但它對(duì)硬件資源要求非常高,其各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間要保持嚴(yán)格的時(shí)鐘同步,成本要求高,并不太適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位?；诰嚯x無關(guān)的定位無需額外的硬件設(shè)備,其算法主要包括:DV-Hop算法[7-9]、質(zhì)心算法(Centroid)、API(Approximate Pointin triangulation Test)、CPE(Convex Position Estimation)定位算法等。相比之下,在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于其低功耗、通信開銷小、無需硬件設(shè)施支撐以及成本低等優(yōu)勢(shì),距離無關(guān)的定位算法具有更大的實(shí)用性。

本文將對(duì)基于距離無關(guān)的定位算法DV-Hop算法進(jìn)行全面的分析,并從3各方面對(duì)DV-Hop機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)。首先,提出DV-Hop定位的局限性,針對(duì)這些局限性提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,提出了IDV-Hop算法的定位機(jī)制(簡稱IDV-Hop機(jī)制),并引入距離修正系數(shù)kc和權(quán)重因子wNx,i;其次,對(duì)IDV-Hop機(jī)制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;最后,將IDV-Hop機(jī)制和其他基于DV-Hop算法的定位機(jī)制進(jìn)行性能比較。

圖1 DV-Hop定位算法

1 IDV-Hop算法

1.1 DV-Hop算法

傳統(tǒng)的DV-Hop算法[10]分3步(如圖1)。

第1步 計(jì)算每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的最小跳距。錨節(jié)點(diǎn)Ai廣播一個(gè)包含其位置信息和初始值為0的跳數(shù)域hopi的信息包。每個(gè)收到該包的鄰居節(jié)點(diǎn)(不論錨節(jié)點(diǎn)還是未知節(jié)點(diǎn)),都會(huì)更新這個(gè)域,如果原本存儲(chǔ)的跳數(shù)比收到的包里的跳數(shù)大,存儲(chǔ)該包里的跳數(shù),否則忽略該包。在廣播的過程中,未知節(jié)點(diǎn)獲取了與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳距。

第2步 計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的確切距離。每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)都獲取了其他的錨節(jié)點(diǎn)與自己的最小跳距,可以計(jì)算每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均跳每距dphi,采用式(1):

(1)

知道了每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距,錨節(jié)點(diǎn)廣播該平均每跳距,未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離。未知節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)與其最近的錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距dphnear,乘以與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的最小跳距,就是未知節(jié)點(diǎn)與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的確切距離di=dphnear×hopi。

如圖1中,未知節(jié)點(diǎn)Nx距離4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算如下:(1)錨節(jié)點(diǎn)A1距離A2=40 m、2跳;距離A3=100 m、6跳;距離A4=40 m、3跳;(2)錨節(jié)點(diǎn)A1平均每跳距dph1為(40+100+40)/(2+6+3)=16.36 m。同理,其他的錨節(jié)點(diǎn)平均每跳距dph2,dph3,dph4分別為17.5 m、16.88 m、17.73 m。Nx保存A2的dph2并計(jì)算與其他錨節(jié)點(diǎn)的距離:17.5×3=52.5 m,17.5×2=35 m,17.5×3=52.5 m,17.5×2=35 m。

第3步 采用三邊測量法或最大似然估計(jì)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置,具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[10-13]。

1.2IDV-Hop算法

從上面的敘述可以看出,DV-Hop算法存在若干問題:①步1中,節(jié)點(diǎn)只要收到一次廣播包,基本上hopi值就需要增加1,對(duì)于節(jié)點(diǎn)密度較大,傳輸距離較小的網(wǎng)絡(luò),hopi值的估算會(huì)大大增加;②節(jié)點(diǎn)之間的跳距受到網(wǎng)絡(luò)連通度的影響,例如A1和A4之間只有40 m,但是跳距有3跳,如果網(wǎng)絡(luò)是全連通,它們之間只有1～2跳,這樣就增加了dphi誤差;③未知節(jié)點(diǎn)只需要存儲(chǔ)離它最近的錨節(jié)點(diǎn)的dphi,計(jì)算與所有錨節(jié)點(diǎn)的距離都采用這個(gè)dphi值,沒有考慮到其他節(jié)點(diǎn)的dphi獨(dú)立性,這顯然有較大誤差;④如果未知節(jié)點(diǎn)與2個(gè)或多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳距相同且都最短,未知節(jié)點(diǎn)不知道需要存儲(chǔ)哪一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的dphi,存儲(chǔ)不同的dphi值,計(jì)算的距離不同,會(huì)造成較大誤差。

針對(duì)DV-Hop機(jī)制的這些缺點(diǎn),很多文獻(xiàn)都進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]將傳統(tǒng)的DV-Hop定位算法用流程圖直觀展示出來,并提出了改進(jìn)策略:①進(jìn)入限跳機(jī)制,即設(shè)置一個(gè)跳數(shù)閾值;②引入RSSI測距技術(shù),在節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)位置信息之后,在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間跳距估算之前,先對(duì)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)值作一個(gè)判斷,如果跳數(shù)為1,直接采用RSSI測距技術(shù);③信標(biāo)節(jié)點(diǎn)不僅僅要還要估算出實(shí)際距離與估算距離間的誤差,再用該誤差作為修正值修正信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均每跳距,將修正后的平均每跳距作為校正值向外廣播。文獻(xiàn)[8]也對(duì)DV-Hop算法進(jìn)行了改進(jìn):①平均跳距的估計(jì):將離未知節(jié)點(diǎn)最近錨節(jié)點(diǎn)的每跳距計(jì)算出來的跳距d1和該最近錨節(jié)點(diǎn)與其他錨節(jié)點(diǎn)間的距離與跳數(shù)之商d2的平均數(shù),考慮了其他的錨節(jié)點(diǎn)對(duì)該未知節(jié)點(diǎn)的影響;②位置修正:通過對(duì)原來估計(jì)距離進(jìn)行修正,獲取更準(zhǔn)確的位置信息。文獻(xiàn)[9]從兩個(gè)方面對(duì)DV-Hop機(jī)制進(jìn)行改進(jìn):①引入平均每跳距離均方加權(quán)誤差的思想對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)平均每跳距進(jìn)行優(yōu)化;②采用改進(jìn)的粒子群算法優(yōu)化位置信息。

文獻(xiàn)[7-9]中對(duì)DV-Hop的改進(jìn)主要從跳數(shù)、每跳距等方面進(jìn)行改進(jìn)。本文不僅僅從跳數(shù)限制、每跳距離、未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離等方面進(jìn)行改進(jìn),而且從傳輸層獲得支撐。本文對(duì)DV-Hop機(jī)制改進(jìn)的措施:

①采用基于CSMA/CA傳輸機(jī)制的HTC機(jī)制[11],所有的傳輸、定位等都只限于2跳,這樣在節(jié)點(diǎn)密度較高的情況下,減少傳輸沖突,降低hopi值估算的誤差;②未知節(jié)點(diǎn)與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離采用各自dphi分別乘以跳距,避免了所有的距離都是用一個(gè)dphnear值和相同跳距的錨節(jié)點(diǎn)dphi選擇問題,并引入校正因子kc;③計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)采用權(quán)重最小二乘法,定義了權(quán)重因子wNx,i,該因子全面考慮未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的跳距、錨節(jié)點(diǎn)之間的跳距、傳輸距離等,更加準(zhǔn)確可靠。

IDV-Hop算法如下:

步驟1 請(qǐng)求定位階段。時(shí)間分成若干的時(shí)隙,定位時(shí)間由多個(gè)時(shí)隙組成。hopi初始化為0。在系統(tǒng)初始化結(jié)束,每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立自己的一跳鄰居列表,并在每個(gè)定位時(shí)隙初始階段節(jié)點(diǎn)更新該鄰居列表(HTC算法[11])。建立了這個(gè)鄰居列表,未知節(jié)點(diǎn)Nx會(huì)確定他的一跳距離內(nèi)的一跳錨節(jié)點(diǎn)鄰居A1i,然后,Nx發(fā)送定位請(qǐng)求包給A1i。如果A1i數(shù)量等于或者大于3,節(jié)點(diǎn)直接執(zhí)行DV-Hop機(jī)制進(jìn)行定位;如果A1i數(shù)量小于3,那么這個(gè)請(qǐng)求定位的包還需要通過中繼傳送到他的二跳錨節(jié)點(diǎn)鄰居A2i,并且二跳鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)加到這個(gè)請(qǐng)求定位列表中,如果A1i和A2i的數(shù)量和等于或者大于3,可以進(jìn)行DV-Hop定位,否則,定位失敗。

步驟2 跳數(shù)信息交換階段。定位請(qǐng)求階段結(jié)束后,錨節(jié)點(diǎn)A1i廣播一個(gè)HIE包(跳數(shù)信息交換,Hop Information Exchange)。該包包含A1i的位置信息、A1i的ID信息和hopi信息。計(jì)算hopi有3種情況:第1種,Nx的一跳與A1i的一跳的重疊鄰居(錨節(jié)點(diǎn))數(shù)量等于或者大于3個(gè),hopi=1,且式(1)分母部分∑hopij(i≠j)值為所有A1i數(shù)量減1;第2種,如果這個(gè)重疊部分錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量小于3,但是在Nx的1跳之內(nèi)、A1i的1跳之外2跳之內(nèi)錨節(jié)點(diǎn)數(shù)加上重疊部分錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量等于或大于3,在那么式(1)的分母可以設(shè)置成(NA1i+2NA2i-1);第3種,Nx的1跳之內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量小于3,那么需要擴(kuò)充到他的2跳,這時(shí)∑hopij(i≠j)的計(jì)算跟第2種情況相同。

(2)

步驟3 距離計(jì)算階段。采用式(1)計(jì)算每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距。那么未知節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的平均跳距,計(jì)算其到每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離。與DV-Hop算法只保存最近錨節(jié)點(diǎn)的dphnear不同,IDV-Hop算法是每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的每跳距乘以與未知節(jié)點(diǎn)的跳數(shù),才是相應(yīng)的距離。

(3)

步驟4 未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。在本階段的計(jì)算中,引入了2個(gè)參數(shù):校正因子kc和權(quán)重因子wNx,i。kc采用的是已知錨節(jié)點(diǎn)之間的誤差推廣到錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間。

(4)

(5)

(6)

(7)

將式(7)兩端平方并且簡化,有式(8):

(8)

假設(shè):

對(duì)于準(zhǔn)備要參加的會(huì)議，會(huì)前若有征文，要精心撰寫論文，不僅為爭取大會(huì)發(fā)言創(chuàng)造條件，也為申請(qǐng)獲得經(jīng)費(fèi)資助增加法碼。另外，對(duì)于在大會(huì)上做報(bào)告的專家的學(xué)術(shù)情況要有所了解，以便在會(huì)上更好地與專家進(jìn)行交流互動(dòng)。

那么,有式(9):

QZ=H

(9)

因?yàn)镮DV-Hop里的距離是采用每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離,那么為了準(zhǔn)確計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),采用權(quán)重最小二乘法WLS(WeightedLeastSquare)計(jì)算,如式(10):

Z=(Q′W′WQ)-1Q′W′WH

(10)

式中:W是權(quán)重矩陣,代表錨節(jié)點(diǎn)的跳距、錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的跳距、傳送距離、錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)等因素對(duì)計(jì)算距離的影響。在ADV-Hop算法中[12],權(quán)重因子只考慮了錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的跳距。

(11)

在計(jì)算權(quán)重因子時(shí),錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)可以采用式(2)計(jì)算。

(12)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 性能驗(yàn)證

我們通過NS-2仿真軟件來驗(yàn)證IDV-Hop機(jī)制的性能。搭建仿真平臺(tái):所有節(jié)點(diǎn)包含錨節(jié)點(diǎn)都分布在同一個(gè)邊長1 km的正方形區(qū)域內(nèi);假設(shè)所有在傳輸距離內(nèi)的傳輸,節(jié)點(diǎn)都能偵聽到其他節(jié)點(diǎn)的傳送;沒有信號(hào)衰減。設(shè)定CSMA/CA機(jī)制參數(shù)為:重傳次數(shù)為2,最大退避次數(shù)為4,數(shù)據(jù)包長為5個(gè)時(shí)隙單位。從前面分析可以看出,IDV-Hop的定位誤差主要取決于跳距、節(jié)點(diǎn)密度、錨節(jié)點(diǎn)分布比例、傳輸半徑等,我們從這幾個(gè)參數(shù)來驗(yàn)證IDV-Hop的性能。

從圖2可以看出,節(jié)點(diǎn)的密度越大,其定位誤差越小;錨節(jié)點(diǎn)的比例越高,定位誤差越小。從式(1)不難看出,dphi計(jì)算的準(zhǔn)確度與∑hopij有較大關(guān)系,而IDV-Hop中的∑hopij計(jì)算涉及的跳數(shù)較少,而且不存在連通度的影響,所以較為準(zhǔn)確;而且,錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,在Nx一跳內(nèi)就可以直接執(zhí)行IDV-Hop算法,這大大減小了誤差。

圖2 定位誤差(節(jié)點(diǎn)密度影響)

圖3 定位誤差(傳輸距離影響)

定位誤差也跟傳輸距離有較大關(guān)系。IDV-Hop機(jī)制的節(jié)點(diǎn)(包含錨節(jié)點(diǎn))都是只考慮了2跳的傳輸,那么傳輸距離決定了錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,這樣也決定了dphi計(jì)算的準(zhǔn)確性。而且,權(quán)重因子wN,i也考慮了傳輸距離。從圖3看出,節(jié)點(diǎn)的傳輸距離并不是越大越好,而是有個(gè)權(quán)衡問題。

IDV-Hop定位機(jī)制針對(duì)的是實(shí)時(shí)定位,那么,實(shí)時(shí)性也是考慮的重點(diǎn)之一。從圖4和圖5看出,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量、錨節(jié)點(diǎn)比例的增加,實(shí)時(shí)性提高,原因跟前面定位誤差的分析相似。

圖4 定位時(shí)延(節(jié)點(diǎn)密度影響)

圖5 定位時(shí)延(傳輸距離影響)

圖6 定位誤差比較

2.2 性能比較

在眾多基于DV-Hop機(jī)制的定位算法中,ADV-Hop機(jī)制[12]、HDV-Hop機(jī)制[13]、Selective-3-anchor機(jī)制[14],是應(yīng)用較廣、算法相對(duì)簡單的定位機(jī)制,本文將IDV-Hop機(jī)制與這幾個(gè)機(jī)制進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn),IDV-Hop機(jī)制在實(shí)時(shí)性上表現(xiàn)較為優(yōu)越,而在節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)定位誤差也表現(xiàn)出了較好的優(yōu)勢(shì)。

圖7 定位時(shí)延比較

3 結(jié)束語

本文首先對(duì)傳統(tǒng)的距離無關(guān)定位機(jī)制DV-Hop進(jìn)行了分析,指出其誤差的主要來源,提出了一種基于DV-Hop的距離無關(guān)的定位改進(jìn)機(jī)制IDV-Hop機(jī)制。首先,基于對(duì)DV-Hop機(jī)制的限制分析,提出了改進(jìn)的措施;接著,基于改進(jìn)措施,提出IDV-Hop機(jī)制;最后,基于跳距、節(jié)點(diǎn)密度、錨節(jié)點(diǎn)分布比例、傳輸半徑等參數(shù),進(jìn)行仿真分析定位誤差、定位實(shí)時(shí)性等性能;并將IDV-Hop機(jī)制與相關(guān)DV-Hop機(jī)制進(jìn)行了性能比較。下一步的工作是在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)(包括未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn))的情況下,DV-Hop機(jī)制或者其他的相應(yīng)機(jī)制的性能提高。

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AnImprovedLocalizationSchemeBasedonIDV-HopforLarge-ScaleWirelessSensorNetworks*

LüChunfeng1,ZHUJianping1,TAOZhengsu2*

(1.SOU College of Engineering Science and Technology Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.Department of Electronic Information and Electrical Engineering Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

It is extremely urgent to establish and maintain low cost and high efficient localization schemes for real-time large-scale surveillance systems. An improved DV-Hop based localization scheme IDV-Hop embedded in WLS(weighted least square)method,accompanying with HTC scheme,is proposed for the purpose of surrounding surveillance,object localization for early warning,rescue operations and restructuring plan et al. Two critical parameters,correction coefficient kcand weighted coefficient wNx,i,are introduced into IDV-Hop scheme to improve location performance. And then,NS-2 simulations demonstrate that analysis results match well with simulation results. Besides,behaviors of IDV-Hop is improved largely relative to other DV-Hop based schemesfor large-scale sensor networks.

range-free localization;IDV-Hop scheme;weighted least square;wireless sensor networks

TP393

A

1004-1699(2017)10-1542-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.015

呂春峰(1978-),男,2000年于昆明理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2006年于昆明理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位,2014年于上海交通大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為上海海洋大學(xué)講師,主要研究方向無線傳感器技術(shù)、現(xiàn)代檢測技術(shù),cflv@shou.edu.cn;

朱建平(1978-),女,2000年于昆明理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2005年于昆明理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位,2012年于上海交通大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為上海海洋大學(xué)副教授,主要研究方向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、在線檢測技術(shù),jp-zhu@shou.edu.cn;

陶正蘇(1961-),男,2005年于香港科技大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為上海交通大學(xué)教授,主要研究方向無線傳感器技術(shù)、在線測量理論及技術(shù)、光電檢測新技術(shù)和儀器,zstao@sjtu.edu.cn。