基于双速率的水下无线多跳网络节点自定位方法

摘要

本发明涉及一种基于双速率的水下无线多跳网络节点自定位方法，技术特征在于：利用低速率传输LM实现无线多跳网络结点间的精确测距，利用高速率传输HM实现网络结点间的其他信息传输；其具有以下优点：1.适用于锚节点稀疏的水下无线多跳网络结点自定位，大大提高了水下无线多跳网络结点定位精度。本发明采用低速率模式完成测距，可以大大提高单跳覆盖范围，避免现有单速率无线多跳网络中存在多跳测距带来的累积测距误差与大的开销，获得高的无线多跳网络结点自定位精度。2.有效降低结点定位带来的能耗与开销。基于双速率的传输模式保证无线多跳网络的低能耗，算法简单有效，大大降低定位过程中产生的控制分组的信息量。

主权项

1.一种基于双速率的水下无线多跳网络结点自定位方法，其特征在于：水下无线多跳网络由锚结点和若干普通结点组成，利用低速率传输LM实现无线多跳网络结点间的精确测距，利用高速率传输HM实现网络结点间的其他信息传输；所述锚结点是能够得到其绝对位置信息的网络结点，或无法获得其绝对位置信息但可以作为网络其他结点定位参考的结点；所述普通结点为通过其与锚结点进行通信得到距离信息进而完成自定位的待定位结点；具体步骤如下：步骤1：锚结点N1采用LM模式在t₀时刻发送hello分组；所述hello分组内包括该分组的类型、发送该hello分组的结点的ID、发送该hello分组的结点的类型、发送该hello分组的时刻等信息；步骤2：在t_i时刻普通结点i收到该hello分组，i表示普通结点的ID，i＝1，2，3....n-1；依据D_i，N1＝T_proc·v_s计算该普通结点i与锚结点之间的距离，其中T_proc表示声信号在水声信道中的传播时延T_proc＝(t_i-t₀)，v_s表示声波在水中的传播速度；步骤3：普通结点i依据其结点ID的次序，采用LM模式依次发送其产生的hello分组，每个结点广播hello分组的时刻分别为t′_i；步骤4：锚结点N1收到来自任意普通结点i的hello分组的时刻为t′_N1，i，任意普通结点i收到来自任意普通结点j的hello分组的时刻为t′_i，j，其中j≠i，j＝1，2，3....n-1：依据D_N1，j＝(t′_N1，j-t′_i)·v_s计算锚结点N1到任意普通结点j之间的距离；依据D_i，j＝(t′_i，j-t′_i)·v_s计算任意普通结点i到j的距离；步骤5：由步骤4得到的锚结点N1到任意普通结点之间的距离，按照选取距离锚结点N1最远的普通结点作为第二个参考结点N2，即N2＝j^*；N1将获得的全部测距信息{D_N1，1，D_N1，2，D_N1，3，....，D_N1，n-1}以HM模式发给N2；步骤6：N2依据本地测距信息{D_N2，1，D_N2，2，D_N2，3，....，D_N2，n-1}及由步骤5中收到来自锚结点N1的测距信息{D_N1，1，D_N1，2，D_N1，3，....，D_N1，n-1}，按照$D_{{N1,j}^{**}}+D_{N2,j^{**}}=$$\max \{D_{N\mathrm{1,1}}+D_{N\mathrm{2,1}},D_{N\mathrm{1,2}}+D_{N\mathrm{2,2}},D_{N\mathrm{1,3}}+D_{N\mathrm{2,3}},...,D_{N1,n-1}+D_{N2,n-1}\},$选择距离N1与N2之和最大的结点作为第三个参考结点N3，即N3＝j^**，N2将第三个参考结点N3的ID j^**及N2到N3间的距离D_N2，N3以LM模式发给锚结点N1；步骤7：依据步骤5和6得到的两个参考结点N2和N3，锚结点N1建立以锚结点N1为原点的坐标系：以N1为原点，N1与N2的连线作为X轴，N2的坐标为(D_N1，N2，0)，Y轴定义为以沿X轴逆时针旋转90度所得的方向线，在以此坐标系下利用D_N1，N2、D_N2，N3与D_N1，N3计算N3的坐标(x₃，y₃)，其中$x_3=\frac{{D^2}_{N_1{N}_2}+{D^2}_{N_1{N}_3}-{D^2}_{N_2{N}_3}}{{2D}_{N_1{N}_2}},$$y_3=\sqrt{{D^2}_{N_1{N}_3}-{x^2}_3};$步骤8：锚结点N1将上一步骤得到的N1、N2、N3三个参考结点ID及坐标{(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)}以LM模式发送出去；步骤9：全网其他结点收到参考结点信息之后，网络中任意待定位结点i依据$\sqrt{{(x_i-x_1)}^2+{(y_i-y_1)}^2}=D_{i,N1},$$\sqrt{{(x_i-x_2)}^2+{(y_i-y_2)}^2}=D_{i,N2}$以及$\sqrt{{(x_i-x_3)}^2+{(y_i-y_3)}^2}=D_{i,N3},$计算得到该待定位结点i的坐标(x_i，y_i)，完成无线多跳网络结点自定位。