一种基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法

摘要

一种基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法，涉及无线传感器网络分布式定位方法。为了实现每个锚节点采用AOA定位方法获得的未知节点位置估计值有效利用从而提高定位精度，同时将网络中每个锚节点获取的定位数据有效的融合压缩，去除由于节点密度较高引起的定位数据冗余。将Gossip算法和AOA定位方法的优势相结合，采用AOA定位方法作为基本定位技术，借助Gossip算法随机选择相邻节点交换数据并且最终达到分布式平均共识的特性，给出适用于无线传感器网络工作环境的具备精确定位精度、优良定位性能同时有效去除冗余从而完成定位数据融合压缩的分布式协作定位方法。主要应用于无线传感器网络定位中。

主权项

一种基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法，其特征在于基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作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，每个锚节点通过携带GPS装置或人为布置的方式获取自身位置坐标(x_i,y_i)；步骤二：每个锚节点在各个时隙随机唤醒，监测未知节点是否出现；步骤三：如若未知节点出现在无线传感器网络覆盖范围内，则唤醒锚节点i将收到未知节点发射的无线电信号，利用本地阵列天线或者方向性天线装置测量信号方向，计算入射信号相对x轴方向的角度θ_i，连同本地坐标保存在一起(x_i,y_i,θ_i)；步骤四：各个锚节点依次唤醒，如该锚节点尚未完成角度测量和数据保存，则重复步骤三的过程，直至无线传感器网络中所有锚节点均完成角度测量和数据保存，至此完成角度测量过程；步骤五：在完成角度测量的基础上，进行初步定位过程，在初步定位过程中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,锚节点j随机选择相邻锚节点i运行成对Gossip算法从而完成数据交换，交换本地坐标和角度数据；锚节点i和锚节点j分别将收到的数据保存在本地，至此锚节点i和锚节点j的本地保存数据相同，且为$\left[\begin{array}{ccc}{x}_0^i& y_0^i& {\theta }_0^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_0^j& y_0^j& {\theta }_0^j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_i& y_i& {\theta }_i\\ x_j& y_j& {\theta }_j\end{array}\right]$其中为锚节点j经角度测量后获取的本地保存数据；步骤六：锚节点j根据步骤五获取的本地数据，根据AOA定位方法的计算公式$\left\{\begin{array}{c}{x}_j^0=\frac{y_j-y_i+x_i{\mathrm{tan\theta }}_i-x_j{\mathrm{tan\theta }}_j}{{\mathrm{tan\theta }}_i-{\mathrm{tan\theta }}_j}\\ y_j^0=\frac{y_j{\mathrm{tan\theta }}_i-y_i{\mathrm{tan\theta }}_j+x_i{\mathrm{tan\theta }}_i{\mathrm{tan\theta }}_j-x_j{\mathrm{tan\theta }}_i{\mathrm{tan\theta }}_j}{{\mathrm{tan\theta }}_i-{\mathrm{tan\theta }}_j}\end{array}\right.$获取未知节点位置的初始估计值AOA定位方法具体为：对于唤醒锚节点j，假设其对于未知节点位置的初始估计值表示为其本地保存数据为：$\left[\begin{array}{ccc}{x}_0^j& y_0^j& {\theta }_0^j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{x}_i& y_i& {\theta }_i\\ x_j& y_j& {\theta }_j\end{array}\right]$依据夹角射线原理得出方程：$\left\{\begin{array}{c}{y}_j^0-y_i=tan{\theta }_i(x_j^0-x_i)\\ y_j^0-y_j=tan{\theta }_j(x_j^0-x_i)\end{array}\right.$解方程可得到未知节点初始估计值坐标为：$\left\{\begin{array}{c}{x}_j^0=\frac{y_j-y_i+x_i{\mathrm{tan\theta }}_i-x_j{\mathrm{tan\theta }}_j}{{\mathrm{tan\theta }}_i-{\mathrm{tan\theta }}_j}\\ y_j^0=\frac{y_j{\mathrm{tan\theta }}_i-y_i{\mathrm{tan\theta }}_j+x_i{\mathrm{tan\theta }}_i{\mathrm{tan\theta }}_j-x_j{\mathrm{tan\theta }}_i{\mathrm{tan\theta }}_j}{{\mathrm{tan\theta }}_i-{\mathrm{tan\theta }}_j}\end{array}\right.$至此通过AOA定位方法完成锚节点j对于未知节点位置的初始估计过程；步骤七：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五和步骤六获取该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$\left[\begin{array}{cc}{x}^0& y^0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_1^0& y_1^0\\ x_2^0& y_2^0\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_j^0& y_j^0\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_N^0& y_N^0\end{array}\right];$步骤八：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，无线传感器网络中所有N个锚节点选择运行成对Gossip算法或者广播Gossip算法：(1)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}=\frac{1}{2}(x_i^t+x_j^t)$$y_j^{t+1}=y_i^{t+1}=\frac{1}{2}(y_i^t+y_j^t)$(2)广播Gossip算法具体运行过程如下：假设在时隙t锚节点j被唤醒，该锚节点向所有相邻锚节点广播其状态值，所有接收锚节点一旦收到其状态值，就按照如下方式更新本地状态值：$\begin{array}{ccc}{x}^{t+1}={\mathrm{\gamma x}}_k^t+(1-\gamma )x_j^t& y_k^{t+1}={\mathrm{\gamma y}}_k^t+(1-\gamma )y_j^t,& \forall k\in M\end{array}$$\begin{array}{ccc}{x}_k^{t+1}=x_k^t& y_k^{t+1}=y_k^t,& \forall k\notin M\end{array}$其中γ∈(0,1)为混合参数，M为锚节点j所有相邻锚节点组成的集合；整个无线传感器网络中N个锚节点所运行的Gossip算法迭代过程可以表示如下$z^{t+1}=W^t{z}^t=\underset{n=1}{\overset{t}{\Sigma }}{W}^n{z}^0$其中$z^t=\left[\begin{array}{cc}{x}^t& y^t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_1^t& y_1^t\\ x_2^t& y_2^t\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_j^t& y_j^t\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_N^t& y_N^t\end{array}\right];$步骤九：判断Gossip算法是否达到预先设定的迭代次数，如若达到预先设定的迭代次数则整个算法完成，无线传感器网络中所有锚节点完成基于到达角度和Gossip算法的分布式协作定位，各个锚节点获得完全相同的未知节点位置估计值，基于成对Gossip算法的分布式协作定位方法所获得的最终未知节点位置估计值为：$z^{final}\left[\begin{array}{cc}{x}^{final}& y^{final}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_1^{final}& y_1^{final}\\ x_2^{final}& y_2^{final}\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_j^{final}& y_j^{final}\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_N^{final}& y_N^{final}\end{array}\right]=\frac{1}{N}\overrightarrow{1}{\overrightarrow{1}}^T\left[\begin{array}{cc}{x}_1^0& y_1^0\\ x_2^0& y_2^0\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_j^0& y_j^0\\ ·& ·\\ ·& ·\\ ·& ·\\ x_N^0& y_N^0\end{array}\right];$即完成了一种基于到达角度和Gossip算法的无线传感器网络分布式协作定位方法。