基于改进APIT算法的无线传感器网络节点定位

基于改进APIT算法的无线传感器网络节点定位

戴天虹;李昊

【摘要】定位技术是无线传感器网络中一个比较重要的技术.近似三角形内点测试(APIT)算法是一种比较常用的算法,为了提高无线传感器网络(WSNs)定位精度,在APIT算法的基础上进行改进,将三角形进行中垂线分割成4个或者6个小区间,通过对各个节点接收到目标节点信号强度进行比较,判断目标节点位于哪一个小区域内.通过仿真可以得到,改进的APIT算法精度上有了很大的提高.

【期刊名称】《传感器与微系统》

【年(卷),期】2016(035)001

【总页数】4页(P135-138)

【关键词】无线传感器网络;近似三角形内点测试算法;节点定位;中垂线分割

【作者】戴天虹;李昊

【作者单位】东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040

【正文语种】中文

【中图分类】TN926

无线传感器网络(WSNs)具有着低成本、低损耗的特点，能够在恶劣的环境下进行数据的采集和收发,目前正在快速发展[1]。

传感器的定位问题是无线传感器网络中的一项非常重要的技术，多种无线传感器网络节点定位算法已经提出。通过对节点位置估测机制的不同可分为两类：基于距离

的定位算法和距离无关的定位算法[2]。前者需要知道两个相邻节点之间的绝对距

离和方位，根据节点之间的实际距离来确定未知节点的坐标；后者需要知道未知节点和锚节点之间的连通能力来估算出和锚节点之间的距离[3]。前者的精确度比较高，后者只能估算出节点的大致位置。其中，与距离无关的定位算法由于能够减少节点的能量消耗，并且延长整个网路的生命周期而得到了广泛的研究和应用。典型的算法有：DV-Hop、质心定位、近似三角形内点(approximate point-in-triangulation,APIT)测试定位等。

本文定位采用APIT定位算法，并针对该算法定位中的不足提出改进的APIT定位

算法，提高定位的精度，对改进的定位算法进行仿真，并对仿真结果进行了分析[4]。

1.1 APIT算法的基本原理

APIT算法的定位过程如下：目标节点通过与周围的锚节点进行信息传递，可以得

到能够与其进行通信的锚节点的集合。假设该集合中共有n个元素，从中选择任

意3个节点组成一个三角形，则一共能组成个三角形。判断该未知节点的位置是

在三角形内部或者在三角形外部，然后选择另外3个节点来确定未知节点的位置，直到穷尽所有的三角形。计算所有三角形的重叠区域，逐渐缩小未知节点所在的区域，最后将重叠区域的质心作为未知节点的估计坐标。如图1所示，所有可用三

角形的重叠部分是未知节点所在的大致位置，点M表示的重叠部分的质心即为未

知节点所在的位置。

APIT算法的最重要的部分是确定未知节点位于三角形的内部还是外部。对此，可

以采用最佳三角形内点[5](perfect point-in-triang-ulation，PIT) 测试算法来判

断该未知节点是否位于三角形的内部。图2表示的是具体的PIT算法原理。

A,B,C为三角形的三个顶点，M为需要确认的未知节点。让M点向任意的方向发

生移动，若M点在运动过程中，存在一个点，在向该点移动时，M点离A,B,C的

距离是同时增大或者减小的，那么,点M位于三角形的外部;反之，M位于三角形

的内部，这就是PIT原理[6]。

1.2 改进的APIT算法

在整个无线传感器网络的边缘地区，传感器的数量相对来说比较少，锚节点较少，这样组成的三角形的数量也会降低。在进行PIT算法进行定位时，会出现由于重叠区域过大造成实际位置与定位位置偏差过大的现象。图3所示的是运用APIT定位误差较大的一种情况。

为了提高无线传感器网络的定位精度，提出一种改进的APIT算法[7]。改进的APIT算法是根据锚节点接收到未知节点的信号强度的变化来作为依据所实现的。

如图2左图所示，目标节点在向1方向移动的过程中，可用三角形3个锚节点接

收到的信号强度会发生变化，A锚节点接收到的信号强度会越来越大，B,C目标节点接收到的信号强度会越来越小。

改进的APIT算法是缩小未知节点M在三角形内的区域范围，提高节点的定位精度。具体实现是将三角形进行分割。对三角形进行中垂线分割，那么,三角形将会

被进一步分割成几个小区间。由三角形中垂线分割可知，锐角三角形会被分割成6个小区域，直角三角形和钝角三角形会被分割成4个小区域[8]。图4(a),(b),(c)分

别为锐角三角形、直角三角形和钝角三角形中垂线分割图。

由图4可知，经分割后，三角形被分割成三角形、四边形、五边形三种小区间。

通过对三角形3个锚节点A,B,C接收到未知节点的信号强度的比较可以判断出未

知节点位于分割后的哪个小区间内[9]。

以图4(a)锐角三角形中垂线分割为例,通过对A,B,C三点接收到位置节点M发出的信号强度进行比较，若A点接收到的信号强度大于B点和C点接收到的信号强度，并且B点接收到的信号强度大于C点接收到的信号强度，那么,未知节点位于分割小区域1,2,3,4,5,6中的小区域6内，6即为可用小区域。若A点接收到信号强度

大于B,C两点接收到的信号强度，B点接收到的信号强度等于C点接收到的信号强度，那么,未知节点位于BC的中垂线上，在这种情况下，可以选择1,6这2个小区组成的共同区域作为可用小区域[10]。

对所有的可用三角形进行分割，则有多少个可用三角形就有多少个可用小区域。找出所有可用小区域的重叠部分，求出重叠区域的质心位置，将质心位置作为未知节点的估计位置[11]。

1)改进的APIT算法与APIT算法相似，首先需要知道目标节点周围所有锚节点的信息，包括锚节点的位置和锚节点接收到目标节点的信号强度大小。

2)所有能够和目标节点进行信息通信的锚节点组成锚节点集。任意选取3个锚节点组成三角形，判断目标节点位于三角形的内部还是外部。已知三个锚节点接收到目标的信号强度大小，若存在一个点，该点接收到的三角形3个锚节点的信号强度比目标节点接收到的信号强度均大于或者小于，那么，该目标节点位于三角形的外部；否则，目标节点位于三角形的内部。

3)选出所有包含目标节点的三角形，将三角形进行中垂线分割，则将三角形分成四部分或者六部分。若三角形为锐角三角形，则被分割成6个小区间，若三角形为直角三角形或者钝角三角形，则被分割成4个小区间。通过对 3个锚节点接收到的目标节点发出的信号的强度大小进行比较，确定目标节点位于哪一个小区间内。

4)找出所有小区间的重叠区域，并且求出重叠区域的质心位置，将该质心位置作为目标节点的位置。改进APIT算法的流程图如图5所示。

2.1 仿真环境与参数设置

本文用VC来进行仿真验证，并采用无线传感器网络定位技术仿真，主要方法是将100，200，300个点随机分布在一个100 m×100 m的区域内，在仿真中分别加入APIT和改进的APIT算法，通过对平均误差的比较，验证改进算法的可行性。在仿真过程中，节点是随机分布在该区域内的。锚节点的密度从1 %开始慢慢增