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基于APIT的无线传感器网络三维定位算法

作者:时间:2012-05-23来源:网络收藏

1.3.3 TD流程

TD流程步骤如下:

①节点部署完成后,初始化配置。信标节点向广播消息(消息应该包含信标节点的ID、位置坐标等信息),而未知节点监听信标节点的消息。此阶段未知节点应随时更新接收到的信息,以防止冈的拓扑变化而造成的误差影响。

②设未知节点M监听到的信标节点数目为n(n=0,1,2,3,4,5,6…)。信标节点的坐标为A1,A2,A3,A4,…,An,未知节点将监听到的信标节点的坐标存入数组,如果n小于5则继续下一步,否则转向步骤④;

③当n=4、3或2时,即未知节点只能监听到4、3或2个信标节点。以未知节点所能监听到的信标节点为圆心,以通信距离为半径分别作球,两球分别相交,分别求出4个球体、3个球体、2个球体重叠区域的质心作为未知节点的坐标。

当n=1或0时,即未知节点只能监听到1或0个信标节点。此时,未知节点等待一段时间t(这里t应设置为略小于定位周期)后,向其所有邻居节点广播消息,请求获知邻居节点的坐标信息。若没有邻居节点返回消息,那么重复执行此步骤;若有邻居节点返回消息但邻居节点尚未定位,则信标节点继续等待一小段随机的时间后,重复请求消息;若有邻居节点返回消息并且邻居节点已经定位完毕,此时邻居节点成为已知节点,则未知节点把已知节点当成信标节点,重复执行步骤①。

④从n个信标节点中任取4个节点组成i(i=1,2,3,4,…,C4n)个四面体,得到包含未知节点的所有四面体,根据四面体相交后的重叠区域计算此重叠区域的质心坐标作为未知节点的坐标。

1.3.4 分析

信标节点广播消息时,采用洪泛的方法,使得通信距离内的未知节点都可以监听到消息,而且未知节点只负责监听消息,并不需要和相邻节点进行消息交换。这样就大大减少了网络中未知节点的通信量,增加了网络生命周期。但是为了使得未知节点能够监听到更多的信标节点,我们设定能量较多的信标节点来广播两次消息。第一次广播消息时同时监听周围的信标节点的广播,将监听到的其他信标节点的消息记录下来。第二次广播时,将所知道的所有的信标节点的信息都广播出去,此时监听的节点将接收到的消息和第一次接收的消息对比,若发现有新的信标节点则及时更新信息。

对于未知节点监听到的信标节点,不能构成四面体相交的,利用球体重合区域的质心作为未知节点的坐标。如果未知节点监听到的信标节点数目较少,可以利用已经定位完毕的节点来对未知节点进行定位。在求解球体重合区域的质心时,可以利用网格扫面算法,计算量较大、误差较小;也可以利用四面体质心扫面算法,计算量较小但是误差较大,根据实际情况予以选择。

1.4 算法流程

整个算法的流程如图2所示。

b.JPG

2 实验仿真与评估

本文中采用的仿真软件是Visual C++与Matlab7.5,选取的实验参数是定位覆盖率和定位误差。仿真实验中,200个节点是随机部署在边长为80 m的正方体监测区域内,信标节点和未知节点的通信半径都是一样的。为了减少随机分布和偶然因素带来的影响,仿真的结果是在相同的参数下仿真50次的平均值。通过比较二维空间中的和文中提出的三维TDAPIT算法在不同的信标节点比例的情况下的定位覆盖率和定位误差,最后来分析扩展后算法的优劣。

2.1 定位覆盖率

定位覆盖率随信标节点比例变化图如图3所示。在信标节点比例为5%时,APIT定位覆盖率约为10%,而TDAPIT约为30%,这说明相对于二维空间中的APIT定位,TDAPIT定位在三维空间中的定位覆盖率在信标节点比例较小时,仍能发挥相当的效用。随着信标节点比例的上升,TDAPIT的定位覆盖率更是明显地上升,在信标节点比例为20%左右时,定位覆盖率就达到了90%以上。在这以后,信标节点比例的增加对定位覆盖率的影响大大降低。这是因为在算法中采用了循环扩散的思想,即将已知节点当做信标节点来实现定位,最大限度地减少了不良节点的数目。在信标节点比例达到30%左右时,APIT算法的定位覆盖率在85%左右,而且仍然还有上升的趋势,说明APIT算法对信标节点比例的依赖程度比较高。

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