[发明专利]一种基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法

摘要

一种基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法，本发明涉及无线传感器网络分布式定位方法。本发明是要解决无线传感器网络中单纯到达时间差定位方法定位精度低问题。一、锚节点获取自身位置坐标；二、实现分布式时间同步；三、锚节点随机唤醒监测未知节点；四、唤醒锚节点保存接收信号时刻和本地坐标；五、所有锚节点是否全部完成信号监测和数据保存；六、锚节点j收到其所有M个相邻锚节点的数据；七、获取锚节点j对于未知节点位置的初始估计值；八、所有锚节点获取未知节点位置初始估计值；九、运行Gossip算法随机选择相邻锚节点交换定位数据；十、算法终止。本发明应用于无线传感器网络典型工作领域。

主权项

一种基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法，其特征在于基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法按以下步骤实现：步骤一：在无线传感器网络覆盖范围内随机或人为布置N个锚节点，每个锚节点借助GPS或人为布置的方式获取自身未知坐标(xk,yk,)；步骤二：整个无线传感器网络中所有锚节点通过广播Gossip算法实现分布式时间同步；步骤三：每个锚节点在各个时隙随机唤醒，监测未知节点是否出现；步骤四：如若未知节点出现，则唤醒锚节点k将收到未知节点发射的无线电信号，锚节点k记录收到信号的时刻tk，连同本地坐标保存在一起(xk,yk,tk)；步骤五：每个锚节点依次唤醒，重复步骤四，直至所有锚节点均完成未知节点的信号监测和数据保存；步骤六：无线传感器网络中的锚节点随机唤醒，假设锚节点j处于唤醒状态，该锚节点向通信半径范围内的所有相邻锚节点广播请求，要求其返还节点坐标和接收信号时刻，该锚节点开始接收数据并实时判断是否收到全部相邻锚节点的数据，如若未收到全部相邻锚节点数据，则继续接收，如若收到全部相邻锚节点数据，则完成数据的接收并将锚节点j收到其所有M个相邻锚节点的数据保存在本地，得到本地数据如下 x 0 j y 0 j t 0 j = x 1 y 1 t 1 x 1 y 2 t 2 · · · · · · · · · x i y i t i · · · · · · · · · x M y M t M ; 步骤七：锚节点j根据步骤六获取的本地数据，根据基于TDOA定位的Taylor算法初始迭代位置公式获取未知节点位置初始迭代值((xj(0),yj(0))，根据预先设置的门限运行Taylor算法的迭代过程，直至获取锚节点j对于未知节点位置的初始估计值((xj(0),yj(0))；步骤八：无线传感器网络中的其余锚节点随机唤醒，按照锚节点j的工作方式重复步骤六和步骤七获取本锚节点对于未知节点位置的初始估计值，直至所有锚节点完成对于未知节点位置的初始估计，无线传感器网络中所有锚节点的未知节点位置初始估计值坐标为 x ′ ( 0 ) y ′ ( 0 ) = x 1 ′ ( 0 ) y 1 ′ ( 0 ) x 2 ′ ( 0 ) y 2 ′ ( 0 ) · · · · · · x j ′ ( 0 ) y j ′ ( 0 ) · · · · · · x N ′ ( 0 ) y N ′ ( 0 ) ; 步骤九：在无线传感器网络中所有锚节点获取本节点对于未知节点位置的初始估计值的基础上，全网所有N个锚节点运行成对Gossip算法，成对Gossip算法具体运行过程如下：假设在时隙t锚节点j被唤醒，该锚节点随机选择一个相邻锚节点i交换初始估计值数据 x j ′ ( t + 1 ) = x i ′ ( t + 1 ) = 1 2 ( x i ′ ( t ) + x j ′ ( t ) ) y j ′ ( t + 1 ) = y i ′ ( t + 1 ) = 1 2 ( y i ′ ( t ) + y j ′ ( t ) ) 全网N个锚节点所运行的成对Gossip算法整个迭代过程可以表示如下 z ′ ( t + 1 ) = W ( t ) z ′ ( t ) = Σ n = 1 t W ( n ) z ′ ( 0 ) 其中 z ′ ( t ) = x ′ ( t ) y ′ ( t ) = x 1 ′ ( t ) y 1 ′ ( t ) x 2 ′ ( t ) y 2 ′ ( t ) · · · · · · x j ′ ( t ) y j ′ ( t ) · · · · · · x N ′ ( t ) y N ′ ( t ) ; 步骤十：判断Gossip算法是否达到预先设定的迭代次数，如若达到预先设定的迭代次数则整个算法完成，无线传感器网络中所有锚节点完成分布式共识定位，各个锚节点获得完全相同的未知节点位置估计值，该方法所获得的最终未知节点位置估计值为 z ′ = x ′ y ′ = x 1 ′ y 1 ′ x 2 ′ y 2 ′ · · · · · · x j ′ y j ′ · · · · · · x N ′ y N ′ = 1 N 1 → 1 → T x 1 ′ ( 0 ) y 1 ′ ( 0 ) x 2 ′ ( 0 ) y 2 ′ ( 0 ) · · · · · · x j ′ ( 0 ) y j ′ ( 0 ) · · · · · · x N ′ ( 0 ) y N ′ ( 0 ) 即完成了一种基于到达时间差和Gossip算法的无线传感器网络分布式定位方法。