基于DV―Hop定位算法的改进_tdoa改进定位算法
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基于DV―Hop定位算法的改进
摘要：针对DV-Hop算法采用跳数乘以平均每跳跳距估算节点间的跳距，利用三边测量法或极大似然估计法估算节点坐标信息，算法过程存在缺陷从而造成定位误差过高的问题。为此提出一种基于节点密度区域划分的DVHop改进算法（DZDVHop），依据网络的连通度和节点密度限制参与估算的信标节点的跳数，采用加权质心法估算定位坐标。Matlab仿真测试结果表明，在相同的网络硬件和拓扑结构环境下，改进后的算法能有效地减少节点通信量，且平均定位误差率比传统的DVHop算法减少了13.6%左右，提高了定位精度。〖BP）〗
针对DVHop算法采用跳数乘以平均每跳跳距估算节点间的跳距，利用三边测量法或极大似然估计法估算节点坐标信息，算法过程存在缺陷从而造成定位误差过高的问题。为此提出一种基于节点密度区域划分的DVHop改进算法（DZDVHop），依据网络的连通度和节点密度限制参与估算的信标节点的跳数，采用加权质心法估算定位坐标。Matlab仿真测试结果表明，在相同的网络硬件和拓扑结构环境下，改进后的算法能有效地减少节点通信量，且平均定位误差率比传统的DVHop算法减少了13.6%左右，提高了定位精度。
关键词：
无线传感器网络；密度区域划分；节点定位；限跳机制
中图分类号：TP393
文献标志码：A
0引言
现代电子技术、检测技术和信号处理等技术的进步，促进了低功耗、多功能智能传感器的快速发展[1]。无线传感器网络（Wirele Sensor Network，WSN）是指由大量成本低廉的具有智能感知能力、计算能力、无线通信能力的传感器节点组成的网络，它可以感知、采集和处理网络覆盖区域内目标对象的信息[2-3]。作为一种新型信息获取的系统，WSN广泛应用于军事、环境监测、城市交通、灾难防控等众多领域[4]。节点定位问题是传感器网络进行目标识别、监控、定位等应用的前提，也是传感器网络应用的关键技术之一[5-7]。研究节点定位算法的意义主要体现在两方面：一是，WSN中的多数应用都依赖于传感器节点或者被检测目标的地理位置信息，不知检测目标位置而获取的任何信息都是没有意义的[8]；二是，WSN网络的运行和管理需要节点位置信息的支持。因此，准确估算节点位置，在传感器网络的应用中起着至关重要的作用。
节点定位技术分为基于测距（Range Based）的定位算法和无需测距（Range Free）的定位算法两类[3]1283，[5]39，[8]3。基于测距的定位算法原理是：通过测量节点与节点间的直线距离或角度信息估算未知节点的坐标位置，目前这类测距技术主要有RSSI（Received Signal Strength Indicator）、TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference on Arrival）和AOA（Angle of Arrival）等[1]77，[5]40。基于测距定位算法的优点是定位精度较高，缺点是网络中的节点需要增加特殊的测距设备，从而导致节点成本较高。而无需测距的定位算法原理是：不需要测量节点间的实际距离以及节点间的方位角，只根据网络中节点间的连通性、同向性等信息，就可以估算出未知节点的坐标位置，常用的无需测距技术有：APIT（Approximate PointinTriangulation test）、质心算法、DVHop（Distance VectorHop）和Amorphous等算法[5]40，[9]。无需测距定位算法的优点是：组网成本低、网络资源开销少，缺点是定位误差率稍高。实践证明无需测距定位技术更能适合多数WSN的应用，而在众多无需测距的定位算法中，DVHop算法以其算法过程的简单性和实效性成为目前应用较多的种类之一[7]2468。WSN中的节点分为两类：一类是预先已知自身位置信息的传感器节点，称之为信标节点（或“锚节点”），信标节点的坐标信息既可以通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等技术自动获得，也可以在部署网络时靠人工设置[8]6；第二类节点是预先并不知道自身的位置，通常称之为待定位节点或者未知节点。这些未知节点的位置信息就需要利用本文和相关研究所探讨的相关定位算法进行估算。
1经典DVHop算法描述
美国Rutgers University的〖BP（〗Dragos 〖BP）〗Niculescu等将距离矢量路由与GPS原理相结合提出了一系列分布式定位算法（Ad Hoc Positioning System，APS）[10]。APS共包括DVHop、DV Distance、Euclidean、DV Coordinate、DV Bearing和DV Radial等6种类型。其中应用较多的是DVHop，DVHop的执行过程可归纳为以下3个阶段[1]77，[5]40，[11]。首先，接收并存储未知节点与它邻近的每个信标节点间最小跳数；信标节点向邻居节点广播包含自身地理位置信息的分组，这样网络中的所有节点都能记录下自己到每个信标节点的最小跳数。其次，计算未知节点与信标节点的跳距；每个信标节点根据上述第一个阶段的操作，记录下了自己与其他信标节点的坐标值以及它们间的跳数。最后利用式（1），就可以估算出自己的平均每跳跳距。其中：（xi，yi）、（xj，yj）是信标节点i和j的坐标，hj是信标节点i与j之间的跳数。
平均每跳跳距：
