基于DV-Hop算法的海洋無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位

曹立杰

摘? 要：海洋監(jiān)測對于人類具有重要意義，而海洋環(huán)境具有形勢復(fù)雜多變、部分區(qū)域人類難以到達(dá)的特殊性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速崛起，使得基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋監(jiān)測備受關(guān)注。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息對于監(jiān)測區(qū)域的后續(xù)處理至關(guān)重要。該文采用距離無關(guān)的DV-Hop定位算法，通過改進(jìn)錨節(jié)點(diǎn)的選取規(guī)則，提高了節(jié)點(diǎn)的定位精度，最后Matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文算法對提高節(jié)點(diǎn)定位精度有效。

關(guān)鍵詞：海洋監(jiān)測? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? DV-Hop定位? 定位精度

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0017-03

Node Localization of Ocean Wireless Sensor Network Based on DV-Hop Algorithm

CAO Lijie

（Dalian Ocean University， Dalian， Liaoning Province， 116023? China）

Abstract： Marine monitoring is very important to human beings. The marine environment has the particularity of complex and changeable situation and difficult for human to reach in some areas. With the rapid rise of wireless sensor networks， marine monitoring based on wireless sensor networks has attracted much attention. In wireless sensor networks， the location information of sensor nodes is very important for the subsequent processing of monitoring area. In this paper， the distance independent DV-Hop localization algorithm is used. By improving the selection rules of anchor nodes， the positioning accuracy of nodes is improved. Finally， Matlab simulation experiments verify that the algorithm is effective for improving the positioning accuracy of nodes.

Key Words：Marine monitoring; Wireless sensor network; DV-Hop localization; Localization accuracy

海洋在人類生活中發(fā)揮著非常重要的作用，為了保障人類與海洋的和諧共存，海洋環(huán)境有必要得到最大的保護(hù)。目前，面向海洋的監(jiān)測手段很多，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用較多，而且發(fā)揮著重要作用[1-2]。在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的位置信息對于監(jiān)測環(huán)境的分析、判斷、處理等都是有力支撐，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)定位至關(guān)重要。目前，應(yīng)用于二維的定位方法有很多，例如TOA定位方法、TDOA定位方法、DV-Hop定位方法、質(zhì)心算法等[3-6]，在海洋環(huán)境中，用于監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)多部署在三維水體環(huán)境中，因此，三維定位問題也受到關(guān)注。DV-Hop定位算法是較常見的與距離無關(guān)的定位算法，該算法對硬件結(jié)構(gòu)要求不復(fù)雜，在面向規(guī)模較大的海洋監(jiān)測范圍，節(jié)約硬件成本也是研究者需要考慮的因素之一，因此，該文以DV-Hop算法為基礎(chǔ)展開研究。

1? 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)描述

在監(jiān)測海域中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)大多是通過固定或隨機(jī)的方式部署，若采用固定部署方式，則傳感器節(jié)點(diǎn)在部署時(shí)位置已經(jīng)確定，若采用隨機(jī)部署，則大部分節(jié)點(diǎn)位置未知，該文研究隨機(jī)部署方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在該文網(wǎng)絡(luò)中，部分水面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)安裝GPS裝置，節(jié)點(diǎn)間通過電磁波通信;水體中傳感器可以獲得傳感器深度信息，水下傳感器節(jié)點(diǎn)與水面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采用水聲通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2? 定位算法

DV-Hop算法是典型的距離無關(guān)定位算法，示意圖如圖2所示，其中L1、L2、L3為錨節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)。

DV-Hop算法的基本思想如下[7-8]：

第一步，系統(tǒng)中所有位置未知的節(jié)點(diǎn)獲得其與錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。

第二步，節(jié)點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，按照節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)，根據(jù)式（1）和式（2），推算出未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離。

（1）

（2）

式中，ci為節(jié)點(diǎn)i的平均跳距，hij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的跳數(shù)，（Xi，Yi）為節(jié)點(diǎn)i的的坐標(biāo)位置，dij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的距離。

第三步，通過多邊定位或三邊定位計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置。

在對水體中三維節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，由于水體中節(jié)點(diǎn)深度信息已知，可以近似認(rèn)為水面錨節(jié)點(diǎn)為水下節(jié)點(diǎn)的GPS，由此將三維定位問題轉(zhuǎn)化為二維定位問題。若未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），錨節(jié)點(diǎn)1的坐標(biāo)為（x1，y1）、錨節(jié)點(diǎn)2的坐標(biāo)為（x2，y2）、……錨節(jié)點(diǎn)n的坐標(biāo)為（xn，yn），它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、…、dn，則有：

（3）

為了避免求解非線性方程問題，對式（3）進(jìn)行線性化處理，可以得到AX=b，其中：

通過分析未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，當(dāng)采用DV-Hop算法進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)位置定位時(shí)，若錨節(jié)點(diǎn)選取不當(dāng)，會造成估計(jì)誤差較大，例如當(dāng)定位選取的錨節(jié)點(diǎn)處于三點(diǎn)共線情況，則會造成兩種估計(jì)結(jié)果，會導(dǎo)致較大誤差。因此，對原始DV-Hop算法中的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，選用跳數(shù)少于3跳的錨節(jié)點(diǎn)，并拋棄三點(diǎn)共線的錨節(jié)點(diǎn)。

3? 仿真分析

該文通過Matlab仿真軟件驗(yàn)證算法的有效性，由于深度信息已知，取100×100區(qū)域模擬監(jiān)測水面。設(shè)監(jiān)測區(qū)域中部署30個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，70個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，定位結(jié)果如圖3所示。通過對比該文算法與傳統(tǒng)DV-Hop算法，不難發(fā)現(xiàn)，采用錨節(jié)點(diǎn)位置判斷的DV-Hop算法的定位精度較高。隨著錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，定位精度會獲得提升，但是隨之帶來的是由于錨節(jié)點(diǎn)增多而導(dǎo)致的硬件成本的增加。仿真結(jié)果分析如圖4所示。

4? 結(jié)語

為及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得監(jiān)測海域參數(shù)的位置信息，對監(jiān)測海域有全面的了解，便于為后續(xù)工作提供參考，該文對傳統(tǒng)DV-Hop算法進(jìn)行了改進(jìn)，分析錨節(jié)點(diǎn)選取對于定位結(jié)果的影響，在定位時(shí)，設(shè)定了錨節(jié)點(diǎn)選取規(guī)則，通過Matlab仿真驗(yàn)證了算法的可行性。

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