基于PSO的无线传感网络节点定位算法

基金项 目： 山西省高校基金资助项 目（０ ９０ ９ ） ２ ０ ０ ２４
收稿 日期 ：０ １ １ — ５ 修 回日期 ：０ ２ ０ — ５ ２１— ｌ ｌ ２ １ — １ ０
一
（ ｈｄｍ ｎｉ ａ ｓａｉｇ ＭＤ ） Ｍｕ ｉ ｅｓ ｎｌ ｃｌ ， Ｓ 技术 求 得 节 点 的初 始 化 坐 ｉ ｏ ｎ
，
，
，
）， 则网络 中所有 节点 的待求 坐标矩 阵 为 ｘ ＝ Ｘ ） 节点之 间的距离矩 阵Ｄ与Ｂ ＝Ｘ ， Ｘ 之间的
…
，
，
，
关 系可用 式（ ）表示 。 ４
＝
区域距离 ， 表示 节点所 在 区域 ， 为通 信系 数 ，（ Ｐ ａ）为节点 ３ ）根 据 提 取 到 的 不 同 节 点 的 区 域 信 息 ，（ ａ。 ， ）
由式（ ）和式 （ ） ３ ４ 可得 ｋ维主轴坐标 解 ；
＝
以
上式中 就是 整个 网络 的相对 坐标系统 ． 也就计算 出 局部相对坐标系统中的坐标矩阵 。 ３ ２ 节点位置最优解计算 ． 假设 搜索空间是 Ｄ维 的， 而且群体 中有 ｍ个粒 子 ， 则群 体 中的第 ｉ 粒 子 可 以 表 示 为 一 个 Ｄ 维 的 向 量 ，＝ 个 ， 。 …， ），它 经 历 过 的 “ 佳 ”位 置 记 为 Ｐ 最 ＝
角 线 矩 阵 以 ＝ｄａ （ｌｌ， ， ）， Ｖ＝ Ｉ１２ ｉ １， … ｌ 而 ｇ ２ Ｎ ｖ … ］ 列 向 是
Ｆ ，） ＝ ０ （ ｙ １
∑ （ ） ｆａ１ ． ， 一（－ ） （ ｊｌ 。
（） ２
量为特征 向量 的正交矩 阵 ， 以前 ｋ 取 个特征值构成 Ａ ， 中前 ｋ个特征 向量构成 ， Ｂ可 以表示成 ：
离的衡量 。一旦遇到 无线传 感 网络节 点分 布较 为稀松 的情
况下 ， 传统 的节点定位算法采用 多跳 距离代替 节点 间的真实 距离 ． 确定节点 位置 。但 是 多跳距 离与 真实距 离 ， 在节 点稀 松的情况下 。 存在较 大的误 差。这样生成 的局部 网络分布模 型距离 的准确度低 ， 网络节 点间 的距离 是不 规则 的 ， 导致传
Ｚ Ａ ｉｇ ｓａ Ｈ ｕ ｌｎ Ｈ Ｏ Ｑｎ —ｈ ｎ ． Ｕ Ｙ —ａ
（ ．Ｄ ｐ ｆ ｏ ｐ ｔ ｎ ｃ ｎｅ ＸｎｈｕＴ ａｈｒ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｈ ｎｉ ｉｚｏ ３ ０ ０ Ｃ ｉａ １ ｅ ｔ ｍ ｕｅ ａｄＳ ｉ ｃ ， ｉ ｏ ｅｃ ｅ ｎ ｅｓｙ Ｓ ａｘ Ｘ ｎｈ ｕ０４ ０ ， ｈｎ ； ｏＣ ｒ ｅ ｚ ｓ ｖ ｔ
０ ｄｌ ２
ｄｌ ｄ ３ ２ １ ０
… … …
ｄ １ ｄ ２ ｄ ３
ｄ３ ２ ０
Ｄ ＝ ｄ ｌ ｄ２ ３ ３
● － ● ● ● ●
（） ３
ｄ１ ｄ
ｄＦ ３ Ｉ
…
０
１ 在信 息检测区域 中将一定 的节 点按 照 随机 分 布原则 ）
进行排 列 ， 节点 相连组成一个网络 ；
ｇ ｒｔ ， ｔｅ ｉ ｏ ｅ ｌｏ ｉｈ ｉ ｏ ｅ ｈｅ ｐ ｓｔｏ ｎｇ ａ ｃ ａ ｙ ｇ ｅ ｔｙ ｏｉｈｍ ｈ ｍｐｒｖ ｄ ａｇ ｒｔ ｍ ｍｐｒｖ ｓ ｔ ｏ ｉｉｎｉ ｃ ｕｒｃ ｒ ａ ｌ．
Ｋ ＹＷ ＯＲ Ｓ： ｒｌ ｓｓｎｏ ｎ ｔｏ （ Ｎ） Ｅ Ｄ Ｗｉ ｅ ｅｓｒ ｅ ｒ ＷＳ ；Ｍｕ ｉｉ ｍ ｎｉ ａ ｓａ ｎ ；Ｐｒｃ ｗ ｒ ｐｉ ｉ ｔ ｎ（ Ｓ ； ｅｓ ｗ ｋ ｈｄ — ｅｓ ｎ ｃ ｉｇ ａ ｉｅ ｓａｍ ｏ ｔ ｚ ｉ Ｐ Ｏ） ｏｌ ｌ ｔ ｌ ｍ ａｏ
几 里 德距 离 。
２ 无 线传 感 网络节 点定 位原 理
在无线传感 网络的特定节点 的定位 技术 中 ， 首先 在信息 采集 区域部署 位置分布不 同的感应节 点 ， 通过相连 节点之 间 的信息交换 。 利用信 息搜 索技 术 ， 现特定节 点的准确定 位。 实
具有算法 步骤如下所示 ：
２ ｅｔ ｆ ｎｏ ｔｎＳｉｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｙ ｎｈ ｎｕｉ ｒｉ ， ｉｈａ ｇａ ｅｅ ０ ６ ０ Ｃ ｉａ ．Ｄ ｐ ｆｒ ｉ ｃｅｃ ｎ ｎｉ ｅｉ ， ａｓａ ｎｖ ｓ ｙ Ｑｎ ｕｎ ｄｏＨ ｂｉ ６０ ４， ｈｎ ） ｏ Ｉ ｍａ ｏ ｎ ｎ ｅ ｔ
ＡＢＳ ＲＡＣＴ ： ｈ ｓｐ ｐ ｒｐ ｏ ｏ ｅ ｈ — ｉ ｎ ｉｎ ｌ ｃ ｅ ｎ ｄ ｃ ｉ ｔ ｎ ａｇ ｒ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ｔ ｌ ｗ ｒ ｏ — Ｔ Ｔ ｉ ａ ｅ ｒ ｐ ｓ ｄ ａ ｍｕ ｉ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ａ ｏ ｅ ｌ ａ ｚ ｉ ｌｏ ｉ ｍ ａ ｅ ｎ ｐ ｒ ｃｅ ｓ ａ ｍ ｐ ｓｌ ｏｌ ａ ｏ ｔ ｉ ｔ ｚｔ ｎ ｉ ａｉ ．Ｂ ｓｎ ｌ —ｄｍｅ ｓｏ ａ ｃ ｌ ｏ ｌ ｏ ｅ ｕ ｋ ｏ ｏ ｅ ｏ ａ ｑ ｉｅ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｎ ｔ ｌｃ ｏ ｄｎ ｔｓ ｍｉ ｏ ｙ ｕ ｉ ｇ ｍｕｔ ｉ ｎ ｉ ｎ ｌｓ ａｅ ｆｒ ａ ｌ ｆ ｔ ｎ ｎ ｗｎ ｎ ｄ ｓ ｔ ｃ ｕ ｒ ｌ ｏ ｈ ｉ ｉ ａ ｏ ｒ ｉ ａｅ ， ｉ ｈ ｉ ｉ ｐ ｒ ｃｅ ｓ ｒ ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ ａ ｇ ｒｔ ｍ ａ ｓ ｄ ｔ ｐｉ ｚ ｔ ｏ ｔ ｕ ｃｉｎ ｔ ｃ ｕｒ ｈ ｒ ａ ｉｔｎ ｅ ｃ ｏ ｄ ｎ ｔｓ ａ ｉｌ ｗａｉ ｏ ｔ ｔ ｎ ｍｉａｉ ｌｏ ｈ ｗ ｓｕ ｅ ｏ ｏ ｔ ｏ ｉ ｍｉｅ ｉ ｃ ｓ ｎ ｔ ｏ ａ ｑ ｉ ｔ ｅ ｅ ｄｓａ ｃ ｏ ｒ ｉ ａ ｅ ｓ ｆ ｏ ｅ ｌ ｏ ｈ ｎ ｎ ｗｎ ｎ ｄ ｓ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｔ ｌ ｏ ｉ ｏ ｅ ．Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｏ ａ ｅ ｉ ｈ ｒ ｉ ａ — ｆｔ ｅ ｕ ｋ ｏ ｏ ｅ ｎ ｃ ｕ ａｅｙ ｐ ｓｔ ｎ ｔ ｎ ｉ ｈ ｈ ｘ ｅｉ ｍｅ ｔ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗ ｔ ｔｅ ｏ ｉ ｎ ｌ ｌ ｓ ｈ ｇ ｌ ａ
Ｎ ｄ ｏ ａｊａｉ ｎ ｏ ｅ ｌｃ 】 ｔ ｚ ｏ
１ 引 言
随着人工智 能技术 的不断发展 ． 有着极强适 应能力 和信
节点定 位技术是无线传感 网络 中的重要 支撑技术 ， 也是 难点 技术之一。 在部署无 线传感器网络时 ， 传感 器节点位 置是不 可控制 的， 随着现场环境 的不 同， 得 网络 中绝 大多 数节 点的位 置 使 不可能事先被确定 。为了保证节点距离 的一致性 ， 往往 在节 点之间采用多跳距离 （ 多个节点 之间的距 离） 进行 节点间距 ，
第２ 卷 第５ ９ 期
文章编号 ：０６ ９４ （ ０２）５ ０ ７ — ４ １０ — ３８ ２ １ ０ — １４ ０
计
算
机
仿
真
２１年５ ０ ２ 月
基 于 Ｐ Ｏ 的无 线 传 感 网络 节 点 定 位 算 法 Ｓ
赵 青杉 胡 玉 兰 ．
（ ．忻州师范学院 ， １ 山西 忻州 ０ ４ ０ ；．燕山大学信息科学与工程学 院， ３００２ 河北 秦皇岛 ０６ ０ ） ６０ ４ 摘要 ： 研究稀疏无线传感网络下异常节点的准确定位 问题 。在信息 较少的空旷 区域 ， 无线传感 网络的传感节点 分布较 为稀 松， 为方便计算 ， 多采用多跳距离代替节点间的真实距离 ， 导致距离 计算存在较 大误差 ， 在传统 的基 于分布式加 权距离 定位 算法建立的 网络分布模型中 ， 节点定位 准确度低 ， 导致节点定位误差较大 。为 了解决上述问题 ， 提出了一 种粒子群优 化的多 维标度节点定位算法 。采用多维标度算法求得各未 知节点 的初始坐标 ， 利用粒子群优化算法对其 目标 代价函数进行 优化求 得未知节点 的真实距离坐标 ， 准确定位节点。实验结果表明 ： 改进算法在定位精度上有 明显的提高。 关键 词 ： 无线传感器 网络 ； 多维标度 ； 粒子群优化 ； 节点定位
可 以根据节点 的位 置迅 速找到发生状况 的区域 ， 也就是完 成
关键节点 的定 位 。当前 主 流 的节点 定位 算 法包 括 ： 典 的 经 ＭＤ — Ｐ定位算法 ［ 改进 的 Ｄ Ｈ ｐ定位算法 ｌ 等。为 Ｓ ＭＡ 、 Ｖ— ｏ ４ ］
了满 足大规模 的网络 的需 求 ， 先后又 提 出 ＭＤ — Ｐ Ｐ 算 Ｓ ＭＡ （ ）
假定 网络中的节点被布置在 ｍ维空间中 ， 网络 中的节点 均被 指 定 一 个 。 第 ｉ个 节 点 的 待 求 坐 标 为 ，＝
（ 。
（
…
２ 当需要进 行某 个节点定位的情况下 ， ） 通过节 点间 的相
互 通信 ， 完成节 点区域的锁定 ， 区域 锁定计算 公式为 ： ， ％）＝Ｍｌｇ １ （ （ Ｐ ０） ］ （ ｏ ［／ ｐ ０）一 （ ；） 其 中 ， ｉ＝０ １ … √ （ ，， ） ａ 上 的距离信息 。 （） １ ）为节点 ｏ 与节点 。 之 间
中 图分 类号 ：Ｐ ９ Ｔ３３ 文 献标 识 码 ： Ｂ
Ｗ ｉｅｅ ｓＳｅ ｓ ｒ Ｎｅ ｗｏ ｋ Ｎｏ ｅ Ｌｏ ａｉａ ｉ ｎ Ａｌ ｏ ｉｈ ｒ ｌｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｄ ｃ ｌｚ ｔｏ ｇ ｒｔ ｍ Ｂａ ｅ ｎ Ｐａ ｔｃｅ Ｓｗａ ｍ ｓ ｄ ｏ ｒｉｌ ｒ Ｏｐｔｍ ｉａ ｉ ｎ ｉ ｚ ｔｏ
， 。 … ．， ％） ， （ ：） ，（ ） 对特定 节点 的最终位 置进 行定 位 ， 定位
公 式为 ：
薹 ＝ （÷ ÷ 砉 一《 砉一耋＋ 耋） ÷一 ２ ２ ；
（） ４
显然 Ｂ是对称的正半定矩阵 ， 那么可利用奇异值 分解 为
Ｂ ＝Ｖ ｒ ＡＶ 的形 式 ． 中由从 大 到小 排列 的特征 值组成 的对 其
标． 然后利用粒子群优化方法对其 目标 代价 函数进行优化 求
ｌ４ 一 ７
解。实验结果表 明： 该算法在提高定 位精度 的同时加快 了其
收敛速度 ， 也增强 了其鲁棒性 。
所需节点 的距 离矩 阵 Ｏ（ ） 如果 网络 中布设 ｎ 节点 ， ｘ， 个 定义
距 离矩阵如式 （ ） ３ 所示 ， 中ｄ 表示节点 其 与节点 之间的欧
Ｂ ＝ ＬＡ
上式 中， ｇ （ ｌ ｐ ‰）代 表 了无 线 网络 中 ， ｏ 两个 随机节 点之 间的平均距离 。上述 操作 步骤 是对无 线 网络 中特定 节点 的 定位的完整步骤 。 传统的无线传感 网络 中 ， 节点之 间的距离信息 不是 固定 的， 随着现 场信息采集 环境 的复杂 多变 ， 点 的分布 也不会 节 完全相 同． 为了统一节 点之 间的距 离 ． 运用 多跳距 离来 对其 进行衡 量。所谓 的多跳距离就是 为 了保证节 点间距离 一致 ， 可 以在一个距离 中跨越 多个 节点。 这就给节点 的定 位带 来 了一定 的 问题 。通过 式 （ ）可 ２ （
法 和 ｄ ＭＤ （ 算法 ｌ 等分布式节点定位算法 。近年来 ，百度文库ｗ Ｓ Ｇ） ６
统 的基于距离权值 的节点定位误差 较大＿ 。 ＿
针对上述情况 ， 提出了一种基于粒子 群优化 的多维标度 节点定位算法 （ 简称 ＭＤ （ Ｓ ） 该算 法是 先采 用多 维标 度 Ｓ Ｐ） ，
号采集 的能力 的无 线传 感 网络在越来 越 多的 场合得 到 了广
泛 的应用 ， 其凭借着强大 的信息采集 能力 ， 已经抗干 扰特性 ， 成为很多智能处理 的最 前端信号采集部分 ， 广泛应 用于多个
领域 ］ 。在无线传感器 网络 中 ， 其工作 的原理是通 过在 信
号采集 区域部 署大量的节点 ． 点之 间通过信号 通讯形成 网 节 络 。一旦有 意外 的情况发生 ， 例如森林火 险 、 战争事件 ， 们 人