基于DV-Hop算法的海洋无线传感器网络节点定位

曹立杰

摘  要：海洋监测对于人类具有重要意义，而海洋环境具有形势复杂多变、部分区域人类难以到达的特殊性，无线传感器网络的快速崛起，使得基于无线传感器网络的海洋监测备受关注。在无线传感器网络中，传感器节点的位置信息对于监测区域的后续处理至关重要。该文采用距离无关的DV-Hop定位算法，通过改进锚节点的选取规则，提高了节点的定位精度，最后Matlab仿真实验验证了该文算法对提高节点定位精度有效。

关键词：海洋监测  无线传感器网络  DV-Hop定位  定位精度

中图分类号：TN92                            文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）02（b）-0017-03

Node Localization of Ocean Wireless Sensor Network Based on DV-Hop Algorithm

CAO Lijie

（Dalian Ocean University， Dalian， Liaoning Province， 116023  China）

Abstract： Marine monitoring is very important to human beings. The marine environment has the particularity of complex and changeable situation and difficult for human to reach in some areas. With the rapid rise of wireless sensor networks， marine monitoring based on wireless sensor networks has attracted much attention. In wireless sensor networks， the location information of sensor nodes is very important for the subsequent processing of monitoring area. In this paper， the distance independent DV-Hop localization algorithm is used. By improving the selection rules of anchor nodes， the positioning accuracy of nodes is improved. Finally， Matlab simulation experiments verify that the algorithm is effective for improving the positioning accuracy of nodes.

Key Words：Marine monitoring; Wireless sensor network; DV-Hop localization; Localization accuracy

海洋在人类生活中发挥着非常重要的作用，为了保障人类与海洋的和谐共存，海洋环境有必要得到最大的保护。目前，面向海洋的监测手段很多，其中无线传感器网络在海洋环境监测中应用较多，而且发挥着重要作用[1-2]。在监测网络中，传感网节点的位置信息对于监测环境的分析、判断、处理等都是有力支撑，因此，传感器节点定位至关重要。目前，应用于二维的定位方法有很多，例如TOA定位方法、TDOA定位方法、DV-Hop定位方法、质心算法等[3-6]，在海洋环境中，用于监测的传感器节点多部署在三维水体环境中，因此，三维定位问题也受到关注。DV-Hop定位算法是较常见的与距离无关的定位算法，该算法对硬件结构要求不复杂，在面向规模较大的海洋监测范围，节约硬件成本也是研究者需要考虑的因素之一，因此，该文以DV-Hop算法为基础展开研究。

1  系统网络描述

在监测海域中，无线传感器节点大多是通过固定或随机的方式部署，若采用固定部署方式，则传感器节点在部署时位置已经确定，若采用随机部署，则大部分节点位置未知，该文研究随机部署方式的无线传感器网络。在该文网络中，部分水面传感器节点安装GPS装置，节点间通过电磁波通信;水体中传感器可以获得传感器深度信息，水下传感器节点与水面传感器节点采用水声通信。系统结构示意图如图1所示。

2  定位算法

DV-Hop算法是典型的距離无关定位算法，示意图如图2所示，其中L1、L2、L3为锚节点，其他节点为未知节点。

DV-Hop算法的基本思想如下[7-8]：

第一步，系统中所有位置未知的节点获得其与锚节点的跳数。

第二步，节点计算网络平均每跳距离，按照节点间的跳数，根据式（1）和式（2），推算出未知节点与锚节点的距离。

（1）

（2）

式中，ci为节点i的平均跳距，hij为节点i和节点j之间的跳数，（Xi，Yi）为节点i的的坐标位置，dij为节点i与节点j之间的距离。

第三步，通过多边定位或三边定位计算未知节点位置。

在对水体中三维节点进行定位时，由于水体中节点深度信息已知，可以近似认为水面锚节点为水下节点的GPS，由此将三维定位问题转化为二维定位问题。若未知节点坐标为（x，y），锚节点1的坐标为（x1，y1）、锚节点2的坐标为（x2，y2）、……锚节点n的坐标为（xn，yn），它们到未知节点的距离分别为d1、d2、…、dn，则有：

（3）

为了避免求解非线性方程问题，对式（3）进行线性化处理，可以得到AX=b，其中：

通过分析未知节点与锚节点的位置关系，当采用DV-Hop算法进行未知节点位置定位时，若锚节点选取不当，会造成估计误差较大，例如当定位选取的锚节点处于三点共线情况，则会造成两种估计结果，会导致较大误差。因此，对原始DV-Hop算法中的锚节点进行筛选，选用跳数少于3跳的锚节点，并抛弃三点共线的锚节点。

3  仿真分析

该文通过Matlab仿真软件验证算法的有效性，由于深度信息已知，取100×100区域模拟监测水面。设监测区域中部署30个锚节点，70个未知节点，定位结果如图3所示。通过对比该文算法与传统DV-Hop算法，不难发现，采用锚节点位置判断的DV-Hop算法的定位精度较高。随着锚节点数目的增加，定位精度会获得提升，但是随之带来的是由于锚节点增多而导致的硬件成本的增加。仿真结果分析如图4所示。

4  结语

为及时、准确地获得监测海域参数的位置信息，对监测海域有全面的了解，便于为后续工作提供参考，该文对传统DV-Hop算法进行了改进，分析锚节点选取对于定位结果的影响，在定位时，设定了锚节点选取规则，通过Matlab仿真验证了算法的可行性。

参考文献

[1] 王栋，王虎，姜迁里.基于6LoWPAN的低功耗长距离海洋环境监测系统[J].计算机科学，2020，47（si）：606-608，625.

[2] 杨秀芳.一种基于无线传感器网络的海洋信息智能采集方法[J].船舶科学技术，2016，38（24）：145-147.

[3] 王灵矫，梁雅媚，郭华.基于距离估计得无线传感网络移动节点定位研究[J].云南大学学报：自然科学版，2019，41（3）：476-483.

[4] chen shikai， yang bin， qing kaiguo， et al.An improved amorphous localization algorithm for wireless sensor networks[C]//International Conference on Networking & Network Applications（nana），2016：69-72.

[5] 张维，赵亮.基于加权质心算法的无线传感器网络節点定位方法[J].沈阳工业大学学报，2020，42（5）：545-548.

[6] 任秀丽，韩静晶.基于无线传感网的海洋监测节点定位算法[J].计算机应用，2012，32（10）：2692-2695.

[7] 杨石磊，樊晓平，刘少强，等.一种改进的无线传感器网络DV-Hop定位算法[J].计算机测量与控制，2008，16（9）：1356-1358.

[8] 胡平霞，龚静，丁锋，等.一种虚拟信标节点机制的DV-Hop定位改进算法[J].网络安全技术与应用，2020（10）：76-78.