抗异常估计的多跳定位方法与流程

1.本发明涉及抗异常估计的多跳定位方案，特别适合在复杂环境下使用，属于无线网络技术应用领域。


背景技术：

2.网络设备在网络中的位置信息常常是开展诸如路由、拓扑控制、边界发现等网络应用的前提条件之一。受到设备能量的限制，网络设备的通信范围往往是有限制的，当两对设备之间距离大于最大通信范围，两对设备则利用其它中继设备转发信息来实现通信，这种通信模式被称为多跳通信。而先通过估计待定位节点到锚节点之间的多跳距离，再采用多边估计对待定位节点进行位置估计，被称为多跳定位。
3.多跳定位的定位结果易受到待定位节点到锚节点之间估计误差的影响。当网络设备分布在复杂的环境中，障碍物、节点失电等问题导致网络拓扑呈现不规则。在不规则的网络中，用于位置估计的锚节点易分布在一个条状区域中，使得锚节点共线或近似共线问题。节点间不可避免的估计误差，遇上锚节点共线或近似共线会极大的放大待定位节点估计误差，从而导致异常估计误差。
4.dv
‑
hop，laep和arfl方法是典型的多跳定位方法，它们已被广泛的应用在规则网络环境中定位服务。而当设备节点被安置在复杂环境下时，运用经典定位方法获得的定位精度急剧下降，导致应用受限。本发明提出的抗异常估计的多跳定位方案，仅通过复杂度不高的计算纠正了异常估计，使得多跳定位适应复杂环境的应用场景。


技术实现要素：

5.本发明提出了抗锚异常估计的多跳定位方案，该方案较好的解决了多跳定位因距离估计误差、锚节点共线、近似共线所导致的估计结果异常的问题，使经典多跳定位方法在略微增加检验、纠正步骤后适应复杂场景下应用。
6.本发明采用如下技术方案：1.在复杂场景中，采用经典的多跳定位获取待定位节点初步的估计位置。
7.2.采用bounding
‑
box获取的矩形范围，通过判断待定位节点的初步估计位置是否在此范围内，以确定估计位置是否出现估计异常现象。
8.3.通过步骤2检验，若发现待定位节点估计位置异常，则假设步骤1获得估计位置存在新锚节点，命名其为虚拟锚节点。同时计算虚拟锚节点到最近锚节点的距离，并令此距离为虚拟锚节点到待定位节点的估计距离。
9.4.结合虚拟锚节点重新运行bounding
‑
box算法，从而获得一个更小且覆盖待定位的矩形区域。
10.5.以步骤4获取区域的四个角，计算这四角到各个锚节点(包括虚拟锚节点)的距离。上述距离与锚节点(包括虚拟锚节点)到待定位节点距离相互组合构成权函数。
11.6.利用步骤5设计的权函数，结合bounding
‑
box算法，通过赋予距离待定位节点远
的锚节点小的权重，距离待定位节点近的锚节点大的权重，从而使待定位节点的估计位置更接近真实位置。有益效果
12.本发明的特征在于，使多种不适合在复杂环境中运行的、已存在的经典多跳定位方法变的可用。本发明在经典多跳定位方法的基础上，首先对待定位节点的估计位置进行异常判断；然后利用异常估计位置，假设异常估计位置存在一个虚拟锚节点，，同时令该虚拟锚节点到最近锚节点的距离为虚拟锚节点到待定位节点的估计距离；而后，将该虚拟锚节点应用到bounding
‑
box算法的运行过程中，获取一个更小的包含待定位节点的矩形区域，并以次区域为基础得到一个加权函数；最后在加权函数的帮助下获得一个接近待定位节点真实位置的估计位置。通过该方法可以在复杂环境中获得更精确的估计结果。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例所需使用的附图做简单地介绍：图1是抗异常估计的多跳定位方案运行流程图。
14.图2是bounding
‑
box运行效果示意图；是在有距离估计误差情况下，采用bounding
‑
box获得覆盖待定位节点区域的示意图。
15.图3是虚拟锚节点结合bounding
‑
box算法获得的包含待定位节点更小覆盖区域示意图。
16.图4是c形网络中，经典多跳定位算法运行结果与在本发明帮助下运行结果比较；为本发明实施例1提供的，设备节点分布在复杂的网络拓扑环境下，即c形拓扑下，采用经典dv
‑
hop，laep，arfl算法运行结果，以及在运用本发明后dv
‑
hop，laep，arfl算法的运行结果图。其中：(a)是设备节点随机地分布在c形网络拓扑；(b)dv
‑
hop运算结果，rms＝120.3；(c)在本发明帮助下dv
‑
hop运算结果，rms＝27.22；(d)laep运算结果，rms＝256.42；(e)在本发明帮助下laep运算结果，rms＝16.67；(f)arfl运算结果，rms＝57.48；(g)在本发明帮助下arfl运算结果，rms＝46.1。
17.图5是s形网络中，经典多跳定位算法运行结果与在本发明帮助下运行结果比较；为本发明实施例1提供的，设备节点分布在复杂的网络拓扑环境下，即s形拓扑下，采用经典dv
‑
hop，laep，arfl算法运行结果，以及在运用本发明后dv
‑
hop，laep，arfl算法的运行结果图。其中：(a)是设备节点随机地分布在s形网络拓扑；(b)dv
‑
hop运算结果，rms＝103.58；(c)在本发明帮助下dv
‑
hop运算结果，rms＝39.63；(d)laep运算结果，rms＝333.7；(e)在本发明帮助下laep运算结果，rms＝22.2；(f)arfl运算结果，rms＝67.26；(g)在本发明帮助下arfl运算结果，rms＝42.41。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.抗异常估计的多跳定位方法包括如下步骤，如图1所示：步骤1：使用经典多跳定位方法初步估计待定位节点的位置；所述步骤1中获得原始多跳定位待定位节点的估计位置具体是：假设在复杂网络中存在n个节点，其中前m为已知位置的锚节点a，它们的位置为：c
a
＝(x
a
,y
a
),a＝1,
…
,m
ꢀꢀꢀ
(1)剩余的n
‑
m个节点为待定位节点。执行经典多跳定位算法，(如dv
‑
hop：d.niculescu and b.nath.dv based positioning in ad hoc networks[j].telecommunication systems,2003,22(1
‑
4):267
‑
280.；laep：yun w,wang x,wang d,agrawal,d.p.range
‑
free localization using expected hop progress in wireless sensor networks[j].ieee transactions on parallel&distributed systems,2009,20(10):1540
‑
1552.；arfl：zaidi s,assaf ae,affes s,et al.accurate range
‑
free localization in multi
‑
hop wireless sensor networks[j].ieee transactions on communications,2016,64(9):3886
‑
3900.)后获得待定位节点u估计位置，即锚节点到待定位节点之间的估计距离误差是不可避免的。此外，特别是在复杂网络拓扑中，锚节点易被迫安置在一些狭长的区域，致使它们共线或近似共线。两者的出现，极易明显地放大位置估计误差，导致待定位节点的估计位置严重偏离实际位置。
[0020]
步骤2：采用bounding
‑
box算法(simic s n,sastry s.distributed localization in wireless ad hoc networks[r].technical report ucb/erl,2002,2:1
‑
13.)对估计位置进行判断，判断待定位节点的估计位置是否在bounding
‑
box设定的矩形区域内，若在区域外即发生异常估计，反之输出估计位置；所述步骤2中，在步骤1获得待定位节点的估计位置后，采用bounding
‑
box算法评估估计位置是否在恰当位置。u恰当的估计位置应该位于，其中，是待定位节点u到锚节点a的估计距离。若估计位置不在式(3)的范围内，则位置估计出现了异常，否则输出估计位置作为待定位节点最终位置。
[0021]
步骤3：若发生异常估计，即刻令异常估计位置为新锚节点(虚拟锚节点)位置，并令虚拟锚节点到最近锚节点距离为虚拟锚节点到待定位节点的估计距离；所述步骤3中，通过步骤2发现了待定位节点u的估计位置不在式(3)的覆盖范围内，随即设定估计位置为待定位节点u周围的新锚节点(虚拟锚节点)，即并找出离虚拟锚节点最近的锚节点na，令它们之间的距离为待定位节点u到虚拟锚节点va的估计距离。
[0022]
步骤4：引入虚拟锚节点后，协同bounding
‑
box算法获取一个包含待定节点的更小矩形区域；所述步骤4中，引入步骤3获得的虚拟锚节点，再次运行bounding
‑
box算法，获得包含待定位节点更小的区域范围，即待定位节点估计位置应位于
[0023]
步骤5：计算步骤4获得矩形区域的四角到周围锚节点距离，然后与对应的锚节点到待定位节点估计距离构建权函数；所述步骤5中，构建权函数，即其中，表示锚节点(虚拟锚节点)到式(4)获得区域四角的距离；表示锚节点(虚拟锚节点)到待定位节点u的估计距离。
[0024]
步骤6：在步骤5构建的权函数帮助下，结合bounding
‑
box算法获取最终定位结果。
[0025]
所述步骤6中，采用步骤5的权函数，并结合步骤4所采用的bounding
‑
box算法获得的估计位置，获得加权的估计位置，即式(6)获得估计位置作为发生位置估计异常的纠正位置输出。
[0026]
下面结合附图2和3对本发明所述的方法进行详细说明，采用经典的多跳定位算法(如dv
‑
hop，laep，arfl)获取待定位节点的估计位置，因网络环境复杂，致使待定位节点的估计位置远远偏离其真实位置。如图2所示，a1,a2,a3是三个锚节点，它们到待定位节点u的真实距离为图中虚线，估计距离为图中实线，实线与虚线之差意味着距离估计误差。因网络环境复杂，致使待定位节点的估计位置(图中u
o
)远远偏离其真实位置。图2中虚线矩形区域是采用bounding
‑
box算法获得的。(在本实例中，采用bounding
‑
box算法对待定位节点的估计位置u
o
进行判断，判断待定位节点的估计位置是否在bounding
‑
box设定的矩形区域内，若在区域外即发生异常估计，如图2所示u
o
在bounding
‑
box设定的矩形区域外，即发生异常估计。)
[0027]
若发生异常估计，即刻令异常估计位置为新锚节点(虚拟锚节点)位置，并令虚拟锚节点到最近锚节点距离为虚拟锚节点到待定位节点的估计距离；具体到图2中为：
将u
o
升级为虚拟锚节点后，选择最近锚节点，并令u
o
到最近锚节点a3的距离为u到u
o
的估计距离。如图3所示，包含虚拟锚节点后，重新执行bounding
‑
box算法，可获得一个更小，且覆盖待定位节点u的矩形区域(实线矩形)。
[0028]
如图3所示，在bounding
‑
box获得矩形区域中，待定位节点u的真实位置更偏向距离较远的锚节点。因此，本发明利用四角到各个锚节点(包括虚拟锚节点)的距离，以及锚节点到待定位节点之间的估计距离设计了权函数。通过权函数调节估计位置。
[0029]
下面结合实例说明本发明的优点：实施例1：在无线多跳网络应用中，因为节点失电或存在障碍物等原因，使得无线网络的拓扑呈现不规则状(本发明实例以c形和s形网络为例，如图4和图5所示)。在不规则网络中存在n个设备节点，前m个设备节点为锚节点，它们事先已知位置。不规则网络的长宽范围为300
×
300，本示例中n＝300，m＝30，设备的最大通信半径r＝35。图4a，5a为连通的c形和s形网络拓扑图，其中方形为锚节点，实心圆为待定位节点。当设备节点之间距离小于等于r时，它们之间存在一条连接线，否则它们通过中继节点进行通信。
[0030]
本发明步骤1中采用经典多跳定位初步估计待定位节点位置，图4b，d，f和图5b，d，f分别是dv
‑
hop、laep和arfl算法在c形和s形不规则网络中的。定位结果图中，三角形表示待定位节点的估计位置，它们与实心圆(待定位节点真实位置)之间的连接线表示估计误差，连接线的长度越长表明误差越大，反之误差越小。为了便于评价定位精度，本发明还采用根均方误差(rootmean square error，rms)来量化定位误差，rms公式表示为：其中，(x
u
,y
u
)和分别是待定位节点的真实位置和估计位置。
[0031]
根据本实施例，dv
‑
hop、laep和arfl算法在c形不规则网络中的rms值分别是：120.3、256.42和57.48；而在s形网络中dv
‑
hop、laep和arfl算法的rms值分别是：103.58、333.7和67.26。dv
‑
hop、laep和arfl算法基础上，本发明大大的促进了定位的精度，在c形网络中，本发明使得dv
‑
hop、laep和arfl算法的精度提升到27.22，16.67和46.1；在s形网络中，本发明使得dv
‑
hop、laep和arfl算法的精度提升到39.63，22.2和42.41。无论从图示中还是从评价指标rms中都显而易见本发明极大的促进了定位精度。
[0032]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。