基于移动锚节点与多级通信的三维传感器网络节点白定位算法研究*(2014年)资源-CSDN文库

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第27卷第 6 期传感技术学报 Vol. 27 No.

2014 年 6 H CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS JUne 2014

Three-Dimensional Sensor Network Node Self-Localization Algorithm

Based on Mobility Anchor Nodes and Multi-Level Communication *

JING Xiumei1 * ，ZHANG Rengong2

(1. Department of Informatioo，Zhejiang Toogji Vocational College of Science and Technology，Hangzhoo 311231，China;

2. Department o f Mechanical and Electrical Engim ering，Zhejiang Tongji Vocational College of Sciencc and Technolgy，HangzZou 311231 ’ China)

Abstract ： A new sensor node localization algorithm based on the flying anchor and the multi-level communication

(SNLSFAMC)on the basis of the sensor node localization scheme with fying anchors(SNLSFA)is present. First，the

mobile anchor nodes provide three or four auxiliary anchor points，which help us to get two non-parallel line

segments. And then we can get two planes which are perpendicular to the two line segments and go through the

midpoint of therm These two planes will intersect with each other to form a line which goes through the node to be

positioned. Finally，the distance between the auxiliary anchor point and the un-positioned node， as the

communication radius，can be used to obtain the position of the un-positioned node. The simulation results show that

on the condition of the same number of nodes，the SNLSFAMC algorithm can improve the positioning accuracy

compared with SNLSFA algorithm ;And on the condition of the same positioning accuracy，the SNLSFAMC algorithm

need less anchor nodes，as well as can improve the response time.

Key words ： mobile anchor nodes; multi-level communication; three-dimensional node self-localization

E E A C C ：7230 doi ： 10.3969/j. issn. 1004-1699.2014.06.022

基于移动戀与麵舖三维传囍网络节点自定位算法研究

景秀眉〃，张仁贡2

(1.浙江同济科技职业学院信息系，杭州311231 ；2.浙江同济科技职业学院机电系，杭州311231)

摘要：在基于移动锚节点的三维传感器网络节点自定位算法SNLSFA(SenSOT Node Localization Scheme based on Flying

Anchors)的基础上，提出了一种新的基于移动锚节点与多级通信的三维传感器网络节点自定位算法SNLSFAMC (Sensor Node

Localization Scheme based on Flying Anchors and Multi-level Communication)。首先由移动锚节点提供 3 个或 4 个辅助定位点，再

由辅助定位点得到两条非平行线段，然后过线段中点分别做垂直于线段的平面，经两平面相交后得到一条经过待定位节点的

直线，最后利用辅助定位点与待定位节点之间的距离作为通信半径即可得到待定位节点的位置。仿真结果表明，与SNLSFA

相比，在相同锚节点数量下，SNLSFAMC提高了定位精度，且在相同定位精度下，SNLSFAMC降低了对锚节点数量的需求，提高

了算法的响应时间。

关键词：移动锚节点;多级通信;三维节点自定位

中图分类号:TP393

文献标识码:A

无线传感器网络 W S N (Wireless Sensor Network)

是一种传感器节点通过自组织方式快速形成的分布

式网络。各个节点采集的数据必须结合其位置信息

才有意义,且网络的覆盖控制、目标跟踪等都依赖于

对各个节点的有效定位:M ]。因此，如何确定节点的

自身位置是传感器网络的一项重要支撑技术。

现有的定位技术大多使用安装G P S 的锚节点

文章编号：1004-1699 (2014) 06-0828 -07

为待定位节点提供位置信息，根据锚节点是否移动，

定位算法可分为基于静态锚节点和基于移动锚节点

的定位。基于静态锚节点的定位算法中，为完成对

整个网络未知位置节点的定位，需要布设较多的锚

节点，大大增加了整个网络的成本以及定位算法的

计算负荷和网络的通讯负荷:s_12]。基于移动锚节点

的定位算法中，由于锚节点可自由移动，因此仅需布

项目来源：国家“十二五”支撑计划项目（2012BAD10K)1);浙江省重点科技创新团队项目（2012BAD10K)1);浙江省科技厅高

技能人才培养和创新技术项目（2013R30058);浙江省教育厅高等教育改革项目（jg2013391)

收稿日期:2014-05-12 修改日期：2014-05-29

第6 期

景秀眉，张仁贡:基于移动锚节点与多级通信的三维传感器网络节点自定位算法研究

829

设较少的锚节点，降低了定位算法对锚节点密度的

依赖程度，且能降低网络拓扑结构复杂度及网络能

耗I — 15 ]0 因此利用移动锚节点辅助定位已成为节

点自定位算法的重要研究方向。

Zhang等人提出了一•种 Landscape-3D空间定位

算法:16]，采用一种辅助定位装置 L A( Location

Assistant)在监测区域上空飞行并周期性广播自身

位置信息，待定位节点接收信息后采用RSSI技术测

量其与L A 之间的距离，进而计算出自身位置。

Fu Y 等人提出了一种基于单个移动锚节点的

与测距无关的三维节点自定位算法:17]，锚节点遍历

整个三维空间收集待定位节点的信息，并根据移动

模型计算节点位置，当锚节点再次穿越待定位节点

的通信球体时，实现对待定位节点的再定位。

Y u 等人提出了一种协作定位算法:⑷，传感器

节点从移动锚节点组接收消息并估计位置，移动锚

节点组由3 个移动锚节点组成，每个锚节点分别位

于等边三角形的一个顶点，定位精度与锚节点数量

成正比。算法要求锚节点间具有较强的协调能力，

且锚节点组的成本较高。

Chia-Ho O u 等人:w]提出了一种基于移动锚节

点的二维传感器网络节点自定位算法，由锚节点的

移动特性求出待定位节点通信圆周上的临界通信

点，并利用圆周上的两个临界通信点作线段，然后作

该线段的中垂线，由两条中垂线相交求出待定位节

点的估计位置。在此基础上，Chia-Ho O u 提出了基

于移动锚节点的三维传感器网络节点自定位算法

SNLSFA ( Sensor Node Localization Scheme based on

Flying Anchors)"01，其原理与文献[19]的算法相似，

亦是利用两条垂直于通信球内切圆平面的直线相交

进而得到待定位节点的估计位置。与其他利用移动

铺节点的三维传感器网络节点自定位算法相比，

SNLS FA只需移动锚节点与待定位节点之间的通信

信息便可估计出待定位节点位置，使其在小范围的三

维传感器网络节点自定位应用中有较大优势。

但是 SNLSFA存在以下问题:①定位精度依赖

于锚节点密度;②定位需要较长时间，实时性不高；

③依靠两垂线的交点得到待定位节点位置，实际的

通信模型中节点的通信范围并不一定是完美的球

形，即算法得到的两条垂线不一定相交，使定位精度

受到影响。

本文在SN LS FA 的基础上提出了一种基于移动

锚节点与多级通信的三维传感器网络节点自定位算

法 SNLSFAMC ( Sensor Node Localization Scheme based

on Flying Anchors and Multi-level Communication)，通

过移动锚节点提供3 个或4 个非共面的辅助定位点，

由辅助定位点得到两条非平行线段，过线段中点分别

作垂直于线段的平面，经两平面相交得到一条经过待

定位节点的直线，利用辅助定位点与待定位节点间的

距离为通信半径得到待定位节点的位置。避免了

SN LS F A中两直线不相交的情形，同时SN L S F A M C 只

需 3 个临界通讯信息点即可开始定位，与 SNLSFA相

比减少了一个临界通讯信息点，并且 S N L S F A M C 将

待定位节点的通讯半径分为两级，使锚节点在穿越待

定位节点通信覆盖范围时多了一次获得待定位节点

临界通讯信息点的机会，降低了对锚节点数量的需求

并提高了算法响应时间。仿真结果表明，在相同的锚

节点数下，相对于SNLSFA，S NL S F AM C 的定位精度明

显提高，且在相同定位精度下，S N L S F A M C 降低了对

锚节点数量的需求，提高了算法的实时性。

1 算法原理与流程

1. 1 算法原理

SN L S F A M C 是一种基于移动锚节点与多级通信

的三维空间节点自定位算法，与 SNL S FA 类似，算法

分为准备阶段与定位阶段。

1 . 1 . 1 准备阶段

假设节点发射功率可调节，且分为两级’ I级通信

半径为50 m ，n级通信半径为100 m ，如图1 所示。

图1 节点通信级别图

同时假设锚节点可在监测区域内自由移动，其

运动轨迹如图2 所示，当锚节点进人或离开待定位

节点的通信范围时，待定位节点记录锚节点在，

t2，t3，t4 时刻的位置，分别以 A ，B ，C ，D 四点表示。

当 A ，B ，C ，D 四点在同一平面时，其坐标的求解过

程与 S N L S F A 类似，在此不再赘述（详见文献

图2 锚节点运动轨迹图

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