WSN中锚节点部署方式对DV—Hop定位精度的研究

谢洪

摘 要：针对WSN中锚节点部署方式对DV-Hop定位所产生的误差问题进行了研究。通过对锚节点以随机、正方形、均匀、交叉等不同部署方式对定位误差所产生的影响进行了仿真、比较和分析，若锚节点以正方形或均匀的方式部署，其对DV-Hop定位所产生的误差要比随机部署方式更小。

关键词：无线传感器网络；锚节点；部署方式；DV-Hop算法；精度；研究

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

节点位置的信息是无线传感网络（Wireless Sensor Network，WSN）能够实现其应用的关键，如何实现节点的准确定位一直是WSN应用中被关注的问题。WSN中的节点主要由锚节点和未知节点组成，其中锚节点指少量带有GPS定位装置的节点，能实现精确定位，但未知节点则需要通过锚节点来进行自身定位[1，2]。由于锚节点需加装GPS设备，能量消耗高，因此无法广泛使用。

目前WSN中的节点定位分为基于测距（Range-Based）和无需测距（Range-Free）两种算法[3]。基于测距的算法常用的有RSSI，TOA，TDOA，AOA[4]，这种算法需要测算出相邻节点间的距离，再计算周围未知节点的坐标，从而实现定位的目的；无需测距的算法主要有DV-Hop算法[5]、质心算法[6]、 APIT算法[7]，采用这些算法不需要测出节点之间的实际距离，而是通过估算来获得未知节点的位置，但估算导致定位存在偏差，需要进一步求精后才能获取准确位置。

文献[8]提出把锚节点通过人工部署为小区域的内切圆方式，以提高节点定位的精度。文献[9]分析了WSN部署与能耗的关系，通过对DV-Hop算法进行研究发现，锚节点位置的不规则放置会对定位误差产生较大影响，在一定的WSN范围内使用DV-Hop定位，可以通过锚节点规则性的部署来提高定位的有效性，从而降低传感器定位误差。

1 DV-Hop算法及误差分析

1.1 DV-Hop定位算法

DV-Hop算法的步骤如下：

（1）锚节点向周边的未知节点广播信息，信息包中含有初始化为零的最小跳数项。未知节点收到信息包后，对最小跳数项加1再把整个信息包转发给下一个节点。

（2）锚节点收到其他锚节点的信息和跳数后，按照公式（1）进行计算，估算平均每跳的距离。

1.2 DV-Hop算法误差

在无线传感网络中，对于所有未知节点均使用跳数与校正值的乘积来表示距离，计算出的估计距离与真实距离存在很大偏差。有些文献提出引用各种迭代算法求出最接近真实值的未知节点的坐标，使得定位误差最小[10]。但迭代法的引入会增加定位的计算量，并增加WSN的能耗。

存在较大误差的原因是锚节点位置的不规则放置，导致未知节点离锚很近或很远，从而加大了估算误差。

2.2 仿真过程

（1）设定好通信半径及总节点数，且随机产生12个锚节点及剩余的未知节点坐标值。

（2）使用DV-Hop算法对每个未知节点进行定位，并计算未知节点的平均定位误差。

（3）分别使用表2所列的正方形部署、均匀部署、交叉部署坐标代替第（1）步随机产生的12个锚节点，重复进行第（2）步的运算。

（4）以上（1）～（3）过程重复50次，计算出各未知节点的平均定位误差。

（5）分别改变通信半径及总节点数，重新计算第（4）步，得出仿真结果。

3 仿真结果分析

3.1 节点通信半径对定位精度的影响

当节点总数为200时，在不同的节点通信半径下，随机、正方形、均匀、交叉部署方式对平均定位误差影响变化曲线如图5所示。从图中可以得知：

（1）通信半径越大，定位误差越小。

（2）在较小的通信半径下，以正方形或均匀方式部署，其定位误差较小，比以随机部署方式的定位精度更高。

（3）当通信半径大于整个WSN区域长度的30%时，不同的部署方式将对DV-Hop算法定位误差产生较小影响。

3.2 节点数量对定位精度的影响

由图5可知，当通信半径足够大时，不同的部署方式对平均误差影响较小。当通信半径R=25和R=30时，不同的节点数采用随机、正方形、均匀、交叉等部署方式，其平均定位误差变化曲线分别如图6和图7所示。从图6和图7中可以得知：

（1）以正方形、均匀和交叉等方式部署，其定位误差要比随机部署方式更小，而且定位误差与节点数量关系不大。

（2）采用随机部署方式时节点数量越多定位误差越精确。

4 结 语

通过对随机、正方形、均匀、交叉等不同部署方式对DV-Hop定位所产生的误差结果进行比较、分析可知，采用正方形、均匀等部署方式能减少定位误差，有助于改善DV-Hop定位算法的性能。同时，如果通信半径大于覆盖范围的30%时，DV-Hop定位算法的定位误差更小。文中的研究结果对实际应用具有一定的指导作用。

参考文献

[1] Akyildiz I，Su W，Sankarasubramaniam Y，et，al.A survey on snesor network[J].IEEE Communications Magazine，2002，40（8）：102-144.

[2]王康，王峰，蒋馥珍.基于分跳跳距和粒子群优化算法的DV—Hop定位算法改进[J].计算机测量与控制，2014，22（3）：810-812.

[3] Niculescu D，Nath B.DV-based positioning in adhoc network[J].Telecommunication Systems，2003，22（1）：267-280

[4]姚汝賢，王晓涓.基于测距和自学习粒子群算法的WSN节点定位[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2015，32（1）：111-115.

[5]刘杰，董淑福，温东.一种基于Dv-hop的改进定位算法[J].科学技术与工程，2012，12（24）：6059-6063.

[6]严雨霞，冯友兵，孙小想.基于移动锚节点的WSN加权质心定位方法研究[J].物联网技术，2015，5（10）：20-22.

[7]吴栋，纪志成，张彪.基于无线传感器网络的改进APIT定位算法[J].系统仿真学报，2015，27（12）：2965-2972

[8]赵建平，马淑丽，刘凤霞，等.WSN中一种新的锚节点分布方式[J].通信技术，2015，48（8）：926-933.

[9]胡青松，吴立新，张申，等.煤矿工作面定位WSN的部署与能耗分析[J].中国矿业大学学报，2014，43（2）：351-355.

[10]李道全，刘月月，孙付龙.基于DV-Hop的WSN网络节点定位算法[J].计算机仿真，2014，31（4）：303-306.

[11]李牧东，熊伟，郭龙.基于人工蜂群算法的DV-Hop定位改进[J].计算机科学， 2013，40（1）：33-36.