淺談基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的DV-Hop算法改進

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的DV-Hop算法改進隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）作為重要的組成部分之一，也得到了廣泛的應(yīng)用。其中，WSN的定位技術(shù)是實現(xiàn)各種應(yīng)用的基礎(chǔ)，如農(nóng)業(yè)灌溉、智能交通、智能家居等，但不同定位算法有其不同的局限性。本文將就基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的DV-Hop算法進行改進展開探討。

一、DV-Hop算法簡介

DV-Hop算法是一種比較常用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法。其核心思想是利用節(jié)點之間的跳數(shù)和節(jié)點到錨點的距離之間的比例關(guān)系來估計節(jié)點的位置。由于該算法只需要少量的全局信息，且比較簡單，因此在實際應(yīng)用中得到了普遍應(yīng)用。DV-Hop算法的實現(xiàn)步驟如下：

1.選取一組已知位置的錨點

2.每個節(jié)點進行跳數(shù)估計：節(jié)點通過廣播探測到其周圍的所有節(jié)點，并記錄進入這些節(jié)點的信號強度和最終接收到這些信號強度的節(jié)點統(tǒng)計信息，即信號的發(fā)射節(jié)點、信號接收節(jié)點和信號強度；在此基礎(chǔ)上，節(jié)點采用洪泛法，通過鄰居的中繼來計算跳數(shù)（Hop數(shù)）。

3.計算節(jié)點到錨點的距離：通過每個節(jié)點計算出到各個錨點的跳數(shù)和相應(yīng)的信號強度，然后通過跳數(shù)和信號強度的乘積來計算每個錨點到此節(jié)點的距離。

4.計算節(jié)點的位置：每個節(jié)點到其相鄰錨點的真實距離是已知的，因此可以通過計算多個相鄰錨點之間的三角形面積加權(quán)平均值來得到節(jié)點的位置。

二、DV-Hop算法存在的問題

雖然DV-Hop算法在定位準(zhǔn)確度和能耗消耗等方面均有不錯的表現(xiàn)，但是在實際應(yīng)用中仍然存在一些問題：

1.存在跳數(shù)估計誤差：通過洪泛法等實現(xiàn)節(jié)點之間跳數(shù)的計算，其對于數(shù)據(jù)收集、信號傳輸?shù)纫蛩氐拿舾行员容^強，誤差較大，導(dǎo)致節(jié)點位置估計的不準(zhǔn)確，從而影響WNS的定位和監(jiān)測效果。

2.所需全局信息較多：DV-Hop算法需要大量全局信息，使得其在WSN部署和更新中的成本較高，難以實現(xiàn)大規(guī)模部署。

3.基于歐幾里得空間距離計算：DV-Hop算法基于歐幾里得空間距離計算，忽略了網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的非歐幾里得空間距離的情況，可能導(dǎo)致預(yù)測的距離不準(zhǔn)確。

三、改進DV-Hop算法

針對上述DV-Hop算法存在的問題，下面對其進行改進。改進重點是優(yōu)化跳數(shù)估計誤差較大的問題。改進算法的基本思想是引入多項式擬合法，通過多項式擬合的方法減少該跳數(shù)估計的誤差。

1.多項式擬合

多項式擬合通過在相鄰兩個錨點之間的跳數(shù)和實際距離之間進行多項式擬合，并以該多項式函數(shù)來計算節(jié)點到錨點的距離。首先定義多項式的階數(shù)，然后按照以下步驟進行多項式的擬合：

1)選取相鄰兩個錨點，計算每一個節(jié)點到這兩個錨點之間的跳數(shù)范圍；

2)對這些節(jié)點的跳數(shù)和實際距離之間的比值進行多項式擬合；

3)根據(jù)多項式函數(shù)計算節(jié)點到每個錨點的距離；

2.啟發(fā)式路徑選擇

通過啟發(fā)式路徑選擇，即選擇一條在整個網(wǎng)絡(luò)中跳數(shù)估計誤差較小的路徑。在實際應(yīng)用中，如果路徑的跳數(shù)太大，第一候選路徑也可能存在較大的誤差。因此，在選擇路徑時，要綜合考慮各種因素，選擇跳數(shù)較小同時節(jié)點躍遷間隔較大的路徑較為合適。

四、實驗結(jié)果分析

針對上述兩種算法，我們分別利用MATLAB工具進行了仿真實驗，并進行了實驗結(jié)果的分析。

（1）實驗環(huán)境及實驗數(shù)據(jù)

實驗環(huán)境：MATLAB2008b

實驗數(shù)據(jù)：采用數(shù)字地形地圖（DigitalElevationMaps,DEM）構(gòu)建WSN網(wǎng)絡(luò)Topo圖，并按照一定的規(guī)則選擇錨點。

（2）實驗結(jié)果分析

具體實驗采取的參數(shù)見下表：

|參數(shù)類別|參數(shù)說明|參數(shù)值|

|-----------------|---------------------------------|------|

|SimulationRegion|地理區(qū)域大小|1000|

|NetworkSize|網(wǎng)絡(luò)規(guī)模|100|

|HopDistance|相鄰節(jié)點間最小距離|200|

|AnchorNodes|錨點數(shù)量|10|

|Polynomialorder|多項式函數(shù)階數(shù)|3|

|TransferEnergy|單位距離的能耗消耗|5mJ|

|ReceiverEnergy|單位時間內(nèi)的能耗消耗|50uA|

|Hops|單位長度中標(biāo)準(zhǔn)跳數(shù)|10|

實驗結(jié)果見下圖


從上圖可以看出，改進后的DV-Hop算法在定位精度和定位誤差方面均有明顯的提升。

五、總結(jié)

本文對基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的DV-Hop算法進行了改進，通過引入多項式擬合和啟發(fā)式路徑選擇兩種方法來減小跳數(shù)估計誤差，從而提高定位精度和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，改進算法能夠有效提