一种自适应精度控制的WSN节点定位方法

摘要

一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，本发明涉及WSN节点定位方法。本发明是要解决噪声和信标节点的部署会导致WSN节点的定位误差波动的问题而提出的一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。该方法是步骤一、设U接收到信号的第i个信标节点为B_i＝(x_i,y_i)；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，得到未知节点U到信标节点B_i真实距离d_i的无偏估计量；步骤三、得到U位置的估计坐标；步骤四、计算定位误差的方差；步骤五、获得未知节点所需测量信标节点B_i信号的次数K_new；步骤六、得到未知节点接收到来自信标节点B_i的信号功率的平均值为；步骤七、得到未知节点最终的定位结果x_k,y_k等步骤实现的。本发明应用于WSN节点定位领域。

主权项

一种自适应精度控制的WSN节点定位方法，其特征在于一种自适应精度控制的WSN节点定位方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、在WSN工作环境内，部署M个信标节点；对于工作环境内任意的未知节点U＝(x,y)，设U接收到信号的第i个信标节点为B_i＝(x_i,y_i)，i＝1,2,...,N,N≤M，B_i对于未知节点U是可见的；其中，(x_i,y_i)表示信标节点B_i的坐标，N表示对于未知节点U可见的信标节点的数目；步骤二、在受高斯噪声n的影响下，根据一般的信号传播模型，计算未知节点与信标节点B_i的距离v_i：根据v_i得到未知节点U到信标节点B_i真实距离d_i的无偏估计量${\hat{d}}_i={10}^{\frac{P_i\left(d_0\right)-{\bar{P}}_i\left(d_i\right)}{10·\alpha }-\frac{{\sigma }_w^2\ln 10}{2K}}---\left(2\right)$其中，i＝1,2,...,N；在距离信标节点d₀处设置参考节点，参考节点接收信标节点B_i的信号功率为P_i(d₀)；未知节点U与信标节点B_i的距离为d_i；在不受噪声的情况下，未知节点U接收到信标节点B_i的信号功率为P_i(d_i)；在高斯噪声n的影响下，未知节点U通过K次测量接收到信标节点B_i的信号功率的均值为α为路径损耗指数，对于传感器网络工作环境为自由空间时,其值一般取为2；n为均值为0，方差为的高斯噪声；K为整数；步骤三、根据无偏估计量结合加权最小二乘法和牛顿迭代法得到如下矩阵形式：b＝H·△X   (3)$H=\left[\begin{array}{cc}\frac{x_{k-1}-x_1}{r_1}& \frac{y_{k-1}-y_1}{r_1}\\ \frac{x_{k-1}-x_2}{r_2}& \frac{y_{k-1}-y_2}{r_2}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ \frac{x_{k-1}-x_N}{r_N}& \frac{y_{k-1}-y_N}{r_N}\end{array}\right]---\left(4\right)$$b=\left[\begin{array}{c}{\hat{d}}_1-r_1\\ {\hat{d}}_2-r_2\\ .\\ .\\ .\\ {\hat{d}}_N-r_N\end{array}\right]---\left(5\right)$其中，△X＝[(x‑x_k‑1) (y‑y_k‑1)]^T,i＝1,2,...,N；权重矩阵W为：获得△X为：△X＝(H^TWH)^‑1H^TWb (7)取△X＝[(x_k‑x_k‑1) (y_k‑y_k‑1)]^T，根据公式(4)、(5)、(6)和(7)进行迭代求解，得到信号测量次数为K次时，未知节点U位置的估计坐标其中，x_k,y_k为第k次牛顿迭代法求解未知节点U位置坐标；步骤四、定义误差因子R＝tr((H^TD^‑1H)^‑1)，根据未知节点U位置的估计坐标计算定位误差的方差为：${\sigma }_p^2=R·({10}^{\left({\sigma }_w^2\ln 10\right)/K}-1)---\left(8\right)$其中，tr(·)表示矩阵的迹，即对角线元素之和；定义$D=\mathrm{diag}\left[\begin{array}{cccc}{\hat{d}}_1^2& {\hat{d}}_2^2& ...& {\hat{d}}_N^2\end{array}\right],$diag[·]表示对角阵；步骤五、根据WSN节点定位的实际需求，令定位误差的标准差的门限值为PL，也称为保护门限；若满足退出程序执行，x_k,y_k为未知节点最终的定位结果，若则获得未知节点所需测量信标节点B_i信号的次数K_new为：表示向上取整，根据保护门限PL，结合式(9)，计算需要测量信标节点B_i信号的次数K_new；步骤六、若K_new≤K，退出程序执行，x_k,y_k为未知节点最终的定位结果；若K_new>K，未知节点U在K次的基础上，再次测量(K_new‑K)次接收到的信标节点B_i的信号功率j＝1,2,…,K_new‑K；则未知节点接收到来自信标节点B_i的信号功率的平均值为${\bar{P}}_i\left(d_i\right)=\frac{K}{K_{\mathrm{new}}}{\bar{P}}_i\left(d_i\right)+\frac{1}{K_{\mathrm{new}}}\underset{j=1}{\overset{K_{\mathrm{new}}-K}{\Sigma }}{\hat{P}}_i^j\left(d_i\right)---\left(10\right)$步骤七、将K值更新为K＝K_new，重新执行步骤二～七的过程，直至满足K_new≤K或退出程序执行，得到未知节点最终的定位结果x_k,y_k；即完成了一种自适应精度控制的WSN节点定位方法。