無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的DV—HOP定位改進(jìn)算法

摘要：DV-Hop算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種典型的基于非測距的定位算法。針對DV-Hop存在的定位精度低的缺陷，本文提出了改進(jìn)的算法。該算法中的平均跳距利用全網(wǎng)平均跳距與單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)估計(jì)的平均跳距的均值來修正，并且根據(jù)連通度不同，選取最優(yōu)的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三邊定位計(jì)算。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；DV—Hop算法；平均跳距；連通度的不同；三邊定位；定位精度

引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是一種分布式的、自組織的網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、?jié)點(diǎn)定位、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議等。而節(jié)點(diǎn)定位問題則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)最為基本和重要的問題。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法可以分為基于測距和基于非測距的定位算法?；跍y距定位常用的測量方法有TOA、TDOA、AOA、RSSI，盡管這些技術(shù)相對精度高，但是對硬件要求很高。基于非測距定位常用的測量方法有：DV-Hop、質(zhì)心、APIT、MDS—MAP。
    DV—Hop為典型的基于非測距定位，其對硬件要求低，實(shí)現(xiàn)簡單。它的不足之處在于計(jì)算平均跳距及定位坐標(biāo)時(shí)會產(chǎn)生誤差。因此針對DV—Hop算法的缺陷，提出了一系列的改進(jìn)算法，參考文獻(xiàn)對原始算法中的平均跳距進(jìn)行改進(jìn)，使用多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)估算平均距離并且采用歸一化加權(quán)的平均跳距。參考文獻(xiàn)提出了基于幾何學(xué)的定位算法，利用幾何學(xué)中的斜率方法來判斷錨節(jié)點(diǎn)間的位置關(guān)系，從中選取最優(yōu)的錨節(jié)點(diǎn)序列，從而更精確地確定未知節(jié)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)引入共線度的概念，利用共線度參數(shù)，動態(tài)地調(diào)節(jié)未知節(jié)點(diǎn)可以收集的鄰居錨節(jié)點(diǎn)的距離閾值，挑選網(wǎng)絡(luò)中好的錨節(jié)點(diǎn)組進(jìn)行位置估計(jì)，最后再用加權(quán)估計(jì)機(jī)制來得到最終的節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)。這些方法都在一定程度上提高了定位精度。
    本文針對DV—Hop算法中計(jì)算平均跳距和三邊定位兩方面存在的定位誤差，提出了改進(jìn)的算法。首先利用全網(wǎng)平均跳距來糾正單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距，然后在最后計(jì)算三邊定位時(shí)，利用節(jié)點(diǎn)間連通度的不同，選擇最優(yōu)組合的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)來參與定位，進(jìn)一步提高定位精度。

1 DV—Hop算法介紹
    美國路特葛斯大學(xué)的Dragos Niculescu等人利用距離矢量路由和GPS定位原理提出一系列分布式定位算法，合稱APS，DV—Hop算法就是其中的一種。
    DV—Hop分為3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：
    ①錨節(jié)點(diǎn)i廣播自身的位置信息IDi。初始跳數(shù)0，每發(fā)送一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，跳數(shù)就加1，然后轉(zhuǎn)發(fā)，直到網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都收到錨節(jié)點(diǎn)的信息包。如果節(jié)點(diǎn)收到同一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)不同的跳數(shù)信息，只取最小的跳數(shù)信息。
    ②當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)i接收到其他錨節(jié)點(diǎn)的位置和最小跳數(shù)信息后，就可以計(jì)算出平均每跳距離(Average Hop Distance，AHD)的計(jì)算公式：
   
    其中，(xi，yi)、(xj，yj)分別為錨節(jié)點(diǎn)i、j的坐標(biāo)；hij為兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。未知節(jié)點(diǎn)只接收離它最近的錨節(jié)點(diǎn)的AHDi，hopi為未知節(jié)點(diǎn)離最近錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，再根據(jù)跳數(shù)信息，即可算得未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離P：
    P=AHDi×hopi         (2)
    ③當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得3個(gè)或者更多的錨節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，可以利用三邊定位或者最大似然相似求出未知節(jié)點(diǎn)的位置。(x，y)為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，(xi，yi)為已知錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)式(2)即可算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)：
   

2 改進(jìn)后的DV—Hop算法
    本文主要對DV—Hop算法里的第2步和第3步進(jìn)行改進(jìn)，第1步與原算法相同。原算法中，在第2步計(jì)算平均跳距的時(shí)候，未知節(jié)點(diǎn)接收來自最近的錨節(jié)點(diǎn)的平均跳距。但是由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的不均勻性，導(dǎo)致單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算的平均跳距存在著一定的誤差，因此本文引入全網(wǎng)平均跳距與單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)平均跳距的均值來修正原算法中的平均跳距。在第3步中，錨節(jié)點(diǎn)的位置信息對定位精度影響很大，本文利用節(jié)點(diǎn)間連通度的不同，選取最優(yōu)的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，以減小定位誤差。
2．1 平均跳距的改進(jìn)
    將全網(wǎng)平均跳距與單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)估算出來的AHDi取平均來代替經(jīng)典算法中的平均跳距，這樣未知節(jié)點(diǎn)既有全網(wǎng)的估算信息，也具有離它最近的錨節(jié)點(diǎn)的估算平均跳距AHDi的局部信息。全網(wǎng)平均跳距公式為：
   
    其中，n為網(wǎng)絡(luò)中的錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
    修正后的平均跳距AHD公式為：
    AHD=(AHDall+AHDi)／2      (5)
2．2 基于選擇性的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)
    基于選擇性的錨節(jié)點(diǎn)的定位算法利用連通度的不同，在三邊節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，選擇最優(yōu)的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)定位，使其定位誤差最小。節(jié)點(diǎn)分布圖如圖1所示。未知節(jié)點(diǎn)N1利用三邊定位時(shí)可以用不同的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組(P1，P2，P3)、(P1，P2，P4)、(P2，P3，P4)、(P1，P3，P4)來定位。而用最大似然估計(jì)計(jì)算時(shí)，則選用(P1，P2，P3，P4)來定位，這樣不同的錨節(jié)點(diǎn)組肯定會產(chǎn)生不同的定位位置。

2．2．1 基本規(guī)則
    用未知節(jié)點(diǎn)與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)來定義連通度，用數(shù)組來表示。比如N1到所有錨節(jié)點(diǎn)的連通度為[1，1，2，5]。這樣圖1中的所有的未知節(jié)點(diǎn)的連通度可以用數(shù)組表示，如表1所列。

    用未知節(jié)點(diǎn)之間連通度差的絕對值的和來定義連通度的不同，比如N1與N2之間連通度的不同為|1—2|+|1—1|+|2—1|+|5—4|=3。這樣可以計(jì)算N1到其他所有未知節(jié)點(diǎn)的連通度的不同，如表2所列。

    由表2可以得出，N2、N3到N1連通度不同為3、4，而N4、N5到N1連通度不同為9、11。說明N1離N2、N3更近。這一點(diǎn)也可以從圖1中看出。
2．2．2 確定最優(yōu)的3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)
    選擇性錨節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)分布圖如圖2所示。未知節(jié)點(diǎn)Nx代表未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置，N(i,j,k)為根據(jù)3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組合所估算的位置，R為節(jié)點(diǎn)的通信半徑，An是離N(i,j,k)最近的錨節(jié)點(diǎn)，Am為通信范圍R之外的任意錨節(jié)點(diǎn)。

    An的位置情況有3種：在0．5R的通信范圍內(nèi)；在0．5R～R的通信范圍內(nèi)；在R通信范圍之外。這樣計(jì)算AHD(i,j,k)，m就有3種可能：
   
    其中，AHD(i,j,k),m為根據(jù)3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組合所估算的位置節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)Am之間的平均跳距，AHDn,m為錨節(jié)點(diǎn)An與錨節(jié)點(diǎn)Am之間的平均跳距，AHDm為錨節(jié)點(diǎn)Am的平均跳距。
    N(i,j,k)與錨節(jié)點(diǎn)Am之間的距離P(i,j,k)，m可以計(jì)算出來，那么就可以算出N(i,j,k)與錨節(jié)點(diǎn)Am之間的跳數(shù)hop(i,j,k)，m，公式為：
   
    假設(shè)一共有n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，這樣N(i,j,k)與Nx計(jì)算出來的連通度的不同可以表示為
   
    Nx選出最小的連通度不同的節(jié)點(diǎn)是最為靠近Nx的節(jié)點(diǎn)(即定位的誤差最小)。

3 算法仿真實(shí)驗(yàn)
    為了驗(yàn)證算法理論的可行性，在100 m×100 m的區(qū)域中，對提出的改進(jìn)的DV—Hop算法用Matlab7．0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原DV—Hop算法和參考文獻(xiàn)的算法進(jìn)行對比分析。仿真數(shù)據(jù)隨機(jī)運(yùn)行50次，最后取平均值。
3．1 測距誤差
    測距誤差是指節(jié)點(diǎn)間的估算距離與實(shí)際距離的差值。在100 m×100 m的區(qū)域中，隨機(jī)分布100個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中有一部分部署的是錨節(jié)點(diǎn)，是能夠獲知自身位置信息的節(jié)點(diǎn)，且錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)具有相同的通信半徑。通過設(shè)置不同的錨節(jié)點(diǎn)比例和節(jié)點(diǎn)通信半徑，比較改進(jìn)的算法與原DV—Hop算法對測距誤差的影響。圖3為通信半徑為10 m時(shí)的測距誤差，圖4為通信半徑為20 m時(shí)的測距誤差。

    在同等條件下，改進(jìn)的測距誤差始終是低于原DV—Hop算法的，且不同的通信半徑對測距誤差也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。圖3中，通信半徑為10 m，改進(jìn)后的算法平均測距誤差比原算法降低1．45 m；圖4中，通信半徑為20m，改進(jìn)后的算法平均測距誤差比原算法降低1．67 m。這是因?yàn)殡S著通信半徑的變化，會對節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)和平均跳距產(chǎn)生影響。由于本文改進(jìn)后的算法是用全網(wǎng)的平均跳距代替單個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均跳距，這樣使得對平均跳距的估計(jì)更為準(zhǔn)確，估算距離也就越準(zhǔn)確，越接近實(shí)際的距離。
3．2 定位誤差
    定位誤差(Localization Error，LE)是指通過定位算法測量估計(jì)的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間的差值，用這種差值除以節(jié)點(diǎn)的通信半徑，就是定位誤差率。計(jì)算方法如下：
   
    其中，(x，y)為未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，(xi，yi)為定位算法所估計(jì)出來的坐標(biāo)；R為節(jié)點(diǎn)的通信半徑。
    圖5和圖6是節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為100和300、節(jié)點(diǎn)通信半徑為10 m時(shí)，本文改進(jìn)算法、DV—Hop算法和參考文獻(xiàn)中的算法三者在錨節(jié)點(diǎn)比例不同時(shí)的定位誤差比較結(jié)果。從兩幅圖中可以看出，在相同的半徑和錨節(jié)點(diǎn)的環(huán)境下，改進(jìn)算法的定位誤差率要低于DV—Hop算法和參考文獻(xiàn)中的算法。但是在錨節(jié)點(diǎn)比例較低的情況下，節(jié)點(diǎn)的定位誤差較大。這是因?yàn)殄^節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離變遠(yuǎn)，導(dǎo)致計(jì)算平均距離時(shí)會產(chǎn)生很大的誤差。因此隨著錨節(jié)點(diǎn)比例的增加，能夠有效地減小定位誤差。

    圖5中，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)的比例為30％時(shí)，DV—Hop的定位誤差率為43．25％，參考文獻(xiàn)算法的定位誤差率為33．37％，而本文改進(jìn)算法的定位誤差率為28．34％。圖6中，當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)的比例為30％時(shí)，DV—Hop的定位誤差率為26．89％，參考文獻(xiàn)算法的定位誤差率為14．95％，而本文改進(jìn)算法的定位誤差率為10．21％。由此說明，本文的改進(jìn)算法要優(yōu)于其他兩種算法。這是因?yàn)樵趨⒖嘉墨I(xiàn)中，只考慮了平均跳距一個(gè)因素對定位誤差的影響，而本文改進(jìn)算法則是從平均跳距的改進(jìn)和利用連通度的不同選取錨節(jié)點(diǎn)兩個(gè)方面考慮，使其定位誤差進(jìn)一步地減小。

結(jié)語
    本文首先介紹了DV—Hop算法的基本思想，針對經(jīng)典的DV—Hop算法中存在的定位精度不高的缺陷，提出了兩點(diǎn)改進(jìn)：
    單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所估計(jì)的平均跳距來代替全網(wǎng)的平均跳距，會產(chǎn)生很大的誤差，因此平均跳距利用全網(wǎng)平均跳距與單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)估計(jì)的平均跳距的均值來修正；
    根據(jù)連通度的不同選擇最優(yōu)的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三邊定位計(jì)算，以提高定位精度。
    仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)后的算法降低了測距誤差，與參考文獻(xiàn)等提出的算法比較，定位誤差率進(jìn)一步降低，從而提高定位精度。且在改進(jìn)的過程中，沒有添加硬件成本。