無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法優(yōu)化研究

段林妍

四川省計(jì)算機(jī)研究院,四川 成都 610041

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò),它是可感知和檢查外部世界的傳感器。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過無線方式通信,因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活,設(shè)備位置可隨時(shí)更改,還可與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接,形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要收集各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器采集的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總和交互,因此,需要對節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的描述,才能確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的核心問題?，F(xiàn)有的定位算法分為基于距離的定位算法和距離無關(guān)的定位算法[1]。基于距離的定位算法適用于定位精度要求較高的應(yīng)用場景,對傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件要求較高。距離無關(guān)的定位算法適用于定位精度要求不高或者硬件功耗低等場景,常用的算法有DV-Hop定位算法、質(zhì)心定位算法、APIT定位算法等[2]。

目前實(shí)際應(yīng)用較多節(jié)點(diǎn)定位算法是DV-Hop算法。DV-Hop定位算法的核心思路是基于距離矢量路由計(jì)算,通過節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)和平均跳距的乘積來表示節(jié)點(diǎn)之間的距離[3]。DV-Hop定位算法是目前應(yīng)用最廣泛的非測距定位算法,該算法在各向同性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可獲得較好的定位效果,但在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,由于平均跳距計(jì)算誤差大、用直線路徑代替實(shí)際路徑等原因,存在較大的定位誤差[4]。

本文針對DV-Hop算法中存在的不足,提出了改進(jìn)優(yōu)化思路和相應(yīng)的算法,后續(xù)算例驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性。

1 現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)定位算法存在的不足

現(xiàn)有DV-Hop算法的定位思路是采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離向量路由機(jī)制,DV-Hop算法的整個(gè)定位過程分為3個(gè)部分。

1)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù),使用距離矢量交換協(xié)議,使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均獲得距各錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。

2)計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)依據(jù)來自其他錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)以及與其自身之間的最小跳數(shù),可計(jì)算出其平均每跳距離,即平均跳距。錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算完自身的平均每跳距離后,利用洪泛法將其廣播出去,網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)只接收距離自己最近錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距,未知節(jié)點(diǎn)收到距離自身最近的錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距后,將其乘以該錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù),即為未知節(jié)點(diǎn)到該錨節(jié)點(diǎn)的距離。

在DV-Hop算法中,采用錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的最小平均跳距與跳數(shù)乘積進(jìn)行計(jì)算,容易產(chǎn)生定位誤差,現(xiàn)有的算法主要存在以下不足。

傳統(tǒng)的DV-Hop算法中未知節(jié)點(diǎn)只將最近的錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距值作為其平均跳距計(jì)算的估計(jì)值,而實(shí)際情況中,未知節(jié)點(diǎn)與多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)值為1跳時(shí),節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離不一致,傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)定位算法將節(jié)點(diǎn)間估算距離均是按照1跳來處理,從而造成估算誤差。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)因?yàn)榈乩硪蛩貢嬖诳斩船F(xiàn)象,造成節(jié)點(diǎn)間最短通信距離發(fā)生曲折變化。因此,使用DV-Hop算法會帶來較大的距離誤差,需要根據(jù)實(shí)際場景進(jìn)行調(diào)整,現(xiàn)有算法適應(yīng)能力較弱。

2 DV-Hop算法的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

目前,DV-Hop定位算法的改進(jìn)思路主要是通過對節(jié)點(diǎn)通信距離進(jìn)行取樣,例如錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的通信距離為R,可將節(jié)點(diǎn)通信距離取1/4、1/2、3/4計(jì)算跳數(shù),以提高跳數(shù)計(jì)數(shù)的精度。文獻(xiàn)[5]中提出了一種基于雙通信半徑的DV-hop算法,未知節(jié)點(diǎn)使用通信半徑R,而信標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用R和0.5R進(jìn)行通信,仿真結(jié)果表明其定位精度有所提升,但這種改進(jìn)算法需要依賴實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)才能確定通信半徑設(shè)置是否合理,能夠適配的應(yīng)用場景較為有限。

本文改進(jìn)思路是在得到全網(wǎng)平均每跳距離的基礎(chǔ)上,通過分析任意錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離誤差,修正全網(wǎng)平均每跳距離,使其能接近真實(shí)值,從而降低誤差,提高精度。

一般來說,錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離誤差定義為[6]：

(1)

由式(1)可知,可從2個(gè)方面減少平均每跳距離誤差,一是降低各錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算本節(jié)點(diǎn)的平均每跳跳距誤差,修正全網(wǎng)的平均每跳跳距值;二是提升節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)hij,可將節(jié)點(diǎn)通信半徑多次取樣,以增加節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù),逼近1跳的真實(shí)距離。

由于未設(shè)置準(zhǔn)入門檻，“糧食銀行”運(yùn)營主體可能會沖破道德的約束，過分追求經(jīng)濟(jì)利益導(dǎo)致企業(yè)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)或破產(chǎn)，出現(xiàn)“跑路”風(fēng)險(xiǎn)，損害農(nóng)民利益。江西省社科院農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究所副所長尹小健表示，農(nóng)民將糧食存入“糧食銀行”，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，糧食行情下行時(shí)，經(jīng)營者的資金鏈一旦斷裂或遭遇不可抗的自然災(zāi)害，無力支付利息或提供農(nóng)資時(shí)，“跑路”就不足為奇。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可知,經(jīng)過大量統(tǒng)計(jì)分析,無線傳感器分布呈泊松分布[6]。根據(jù)參數(shù)估計(jì)理論,使用均方差比方差更有效[7]。在概率論中,方差是衡量隨機(jī)變量或?qū)σ唤M數(shù)據(jù)離散程度的度量[8]。均方誤差是各數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值差值的平方和的平均數(shù),也就是誤差平方和的平均數(shù)[9]。

(2)

(3)

式中：dij為錨節(jié)點(diǎn)i和j之間的真實(shí)距離;ri為錨節(jié)點(diǎn)i的平均每跳距離估算值;hij為錨節(jié)點(diǎn)i和j之間的跳數(shù);N為總的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體誤差為：

(4)

用最小二乘法求解,可得修正過后的平均每跳距離估算值為：

(5)

2.2 改進(jìn)算法的工作流程

改進(jìn)算法的工作流程步驟如下。①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)初始化。②使用典型的距離矢量交換協(xié)議,錨節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播包含自身位置信息的數(shù)據(jù)包,使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲得錨節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。③錨節(jié)點(diǎn)i利用式(5)計(jì)算修正后的平均每跳距離,并廣播帶有跳數(shù)和平均跳距的分組,其他錨節(jié)點(diǎn)均需要廣播相應(yīng)的分組。④利用極大似然估計(jì)法估算其坐標(biāo),程序結(jié)束。

3 仿真分析

由于DV-Hop定位算法受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響較大,對于不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),定位算法的精度會發(fā)生變化。因此,為驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化DV-Hop定位算法的普適性,本文針對不同通信半徑和錨節(jié)點(diǎn)情況分別多次進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域大小為300 m×300 m,隨機(jī)布設(shè)150個(gè)節(jié)點(diǎn),經(jīng)過多次試驗(yàn)后,取平均值作為仿真的結(jié)果。使用MATLAB仿真經(jīng)典DV-Hop定位算法與本文提出的改進(jìn)DV-Hop定位算法的性能指標(biāo),并進(jìn)行對比分析。

圖1為通信半徑為10 m時(shí),本文提出的改進(jìn)定位算法與傳統(tǒng)DV-Hop算法在相對定位誤差與錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量之間的關(guān)系圖。

圖1 通信半徑為10 m時(shí)的相對定位誤差比較

圖2為通信半徑增大到50 m時(shí),本文提出的改進(jìn)定位算法與傳統(tǒng)DV-Hop算法在相對定位誤差與錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量之間的關(guān)系圖。

圖2 通信半徑為50 m時(shí)的相對定位誤差比較

從圖1和圖2變化可知：一是在錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量依次遞增且通信半徑不變的情況下,相對定位誤差逐漸變小;二是隨著通信半徑的增大,相對定位誤差逐漸減小。究其原因,通信半徑的提升意味著網(wǎng)絡(luò)連通度的提升,相對誤差會減小,說明本文提出算法符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的實(shí)際情況。

本文提出的改進(jìn)算法利用均方差的計(jì)算方法,從全網(wǎng)誤差的角度進(jìn)行優(yōu)化,可有效降低整體誤差,并且這種優(yōu)化方式與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)無關(guān)。因此,本文提出的改進(jìn)算法相對于改進(jìn)跳數(shù)計(jì)數(shù)的優(yōu)化方法,應(yīng)用場景更廣,更具有普適性。

4 結(jié)束語

本文在DV-Hop算法基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)算法,在得到全網(wǎng)平均每跳距離的基礎(chǔ)上,通過分析任意錨節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離誤差,建立均方差優(yōu)化模型,修正全網(wǎng)平均每跳距離,使其能接近真實(shí)值,從而減小誤差,提高精度。仿真結(jié)果表明改進(jìn)算法在減小誤差和提高精度方面均有所提升。