DV-HOP定位算法
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无线传感器网络的定位技术
主要内容
1 引言 2 定位技术分类
3 DV-HOP定位算法 4 性能指标
引言
无线传感器网络： 指一种在监测区域内随机部署的传感
器节点通过无线通信方式形成的多跳、自组织 的分布式网络。 定位技术的研究意义：
节点的感知数据必须与位置相结合， 离开位置信息，感知数据是没有意义的，如环 境监测、医疗、森林火灾监控等。
引言
当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提: (1) 网络中有一定比例的节点位置己知或具有GPS定 位功能，这些位置已知的节点可作为定位参考点。 因为GPS模块价格昂贵、能量消耗大，而且受工作环 境的限制，所以网络中少数节点通过GPS定位。 (2)节点具有与邻近节点通信的能力。 (3)节点不具有自主移动能力。
平均每跳距离
归一化处理得到权值
i
hi
M
hk
k 1
M
Hs D
i
Hs
D i
i 1
通过这个加权过程，使得定位节点的平均每跳距离 能 从多个信标节点的平均每跳距离中得到反映，使得定位节 点的平均每跳距离更接近于网络的实际平均每跳距离。
DV-HOP算法的3个阶段-最小均方误差准则
基于测距的定位算法
基于信号传播时间的定位（TOA）
基于测距 的算法
基于信号传播时间差定位（TDOA） 基于接收信号强度的定位（RSSI）
基于接收信号角度的定位 (AOA)
无需测距的定位算法
无需测距
质心定位算法 DV-HOP定位算法
APIT Amorphous 算法
集中式计算&分布式计算
根据在定位过程中是否把信息传送到某个后台中心或 服务器进行节点坐标的计算
三边测量法缺点
若在测距过程中存在误差，上述三个圆 无法交于一点，用存在误差的d1、d2、d3 去解上述方程时便无法得到正确解。因 此，在实际计算坐标时，一般不采用上 述解方程的方法，而采用极大似然估计 或其他数值解法。
三角测量法
已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相 对于节点A、B、C的角度，确定节点D的 坐标；
剩余的都为未知节点，对 节点A定位
DV-HOP算法的3个阶段
(xi , yi ), (x j , y j ) ：为锚节点i与锚节点j的坐 标
dij ：为锚来自百度文库点i与锚节点j之间的实际距
离
h j ：为锚节点i到锚节点j之间的跳数
Hs
D i
Hs
N i
：以锚节点i为基准，计算出的平均每跳距离
M ：锚节点总个数
为未知节点M到锚节点A的测量距离。
Min-Max算法
这些限制框的交集通过下式计算。当未知节点
可利用的锚节点多于3个时，将其转化为
C
3 n
组分别
计算并取其平均值。
主要内容
1 引言 2 定位技术分类
3 DV-HOP定位算法 4 性能指标
DV-HOP算法
DV-HOP定位算法具有方法简单， 定位精度较高的特点，它是利用距离 矢量路由和GPS定位的思想提出的一系 列分布式定位方法之一。
未知节点接收到的平均每跳距离有两种方法：方法1中 未知节点仅记录接收到的第1个平均每跳距离，并转发 给邻居节点；方法2中未知节点记录其到每个参考节点 的不同的平均每跳距离。
方法1确保了绝大多数节点从最近的参考节点接收平均 每跳距离值，也就是说，在方法1中将从最近参考节点 接收的平均每跳距离作为整个网络的平均每跳距离。 但由于网络中节点分布的随机性，需要尽可能多地利 用网络中的信息，采用方法2将具有比采用方法1更优 越的性能。
主要内容
1 引言 2 定位技术分类 3 DV-HOP定位算法
4 性能指标
定位技术的分类
根据定位过程中是否需要测量 实际节点间的距离，定位算法可分为基 于测距(Range-Based)的定位算法和无 需测距(Range-Free)的定位算法。
Range-Based & Range-Free
基于测距的定位
i ：锚节点i的平均每跳距离的权值
DV-HOP算法的3个阶段-无偏估计准则
第2阶段：每个参考节点利用其它参考节点的位置信息和
相隔最小跳数来计算平均每跳距离，并将其作为一个校正值 广播至网络中。当接收到校正值后，节点根据跳数计算与参 考节点之间的距离。
平均每跳距离
当获得每个参考节点的平均每跳距离后，需要将其广 播至网络中的其他节点。
转换为三边测量法。
极大似然估计法
已知1、2、3等n个节点的坐标，及它们到未 知节点D到距离，确定节点D的坐标；
最小均方差估计算法。
极大似然估计法
使用标准的最小二乘法可以得到未知节点的坐标为
Min-max算法
Min-Max算法的基本思想是依据未知节点到各锚 节点的距离测量值及其坐标构造若干个限制框 (bounding-box)，即以锚节点为圆心，未知节点到 该锚节点的距离测量值为半径所构成圆的外接正方 形，正方行交叉区域的几何中心即为未知节点的估 计坐标。如下图所示，说明了有3个锚节点估计距离 时的工作原理，锚节点A（xi,yi)的限制框的4个顶点 的计算如下式所示：
需要测量相邻节点间的 绝对距离或方位，并利 用节点间的实际距离来 计算未知节点的位置。
无需测距的定位
无需这些测量信息，而 是根据网络连通性等信 息，利用节点间的估计 距离计算节点位置。
特点比较
基于测距的定位
定位精度相对较高， 但对额外的硬件设施 要求也比较高
无需测距技术的定 位
成本低、功耗小、 抗测量噪声能力强、 硬件设备简单
集中式计算
把所需信息传送到某个 中心节点(例如，一台 服务器)，并在那里进 行节点定位计算的方式
分布式计算
指依赖节点间的信息 交换和协调，由节点 自行计算的定位方式。
定位的基本方法
三边测量法 三角测量法 极大似然估计法 Min-max算法
三边测量法
已知A、B、C三个节点的坐标，以及它 们到未知节点D的距离，确定节点D的坐 标。
指依赖节点间的信息 交换和协调，由节点 自行计算的定位方式。
DV-HOP算法的3个阶段
第1阶段：网络中的各参考节点通过典型的距离
矢量交换协议向邻居节点广播自身位置信息分组， 使得网络中的所有节点获得距参考节点的最小跳 数信息。
左图是一个由9个 节点组成的小型传感器网络。
L1 L2 L3 为三个参考节点
主要内容
1 引言 2 定位技术分类
3 DV-HOP定位算法 4 性能指标
引言
无线传感器网络： 指一种在监测区域内随机部署的传感
器节点通过无线通信方式形成的多跳、自组织 的分布式网络。 定位技术的研究意义：
节点的感知数据必须与位置相结合， 离开位置信息，感知数据是没有意义的，如环 境监测、医疗、森林火灾监控等。
引言
当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提: (1) 网络中有一定比例的节点位置己知或具有GPS定 位功能，这些位置已知的节点可作为定位参考点。 因为GPS模块价格昂贵、能量消耗大，而且受工作环 境的限制，所以网络中少数节点通过GPS定位。 (2)节点具有与邻近节点通信的能力。 (3)节点不具有自主移动能力。
平均每跳距离
归一化处理得到权值
i
hi
M
hk
k 1
M
Hs D
i
Hs
D i
i 1
通过这个加权过程，使得定位节点的平均每跳距离 能 从多个信标节点的平均每跳距离中得到反映，使得定位节 点的平均每跳距离更接近于网络的实际平均每跳距离。
DV-HOP算法的3个阶段-最小均方误差准则
基于测距的定位算法
基于信号传播时间的定位（TOA）
基于测距 的算法
基于信号传播时间差定位（TDOA） 基于接收信号强度的定位（RSSI）
基于接收信号角度的定位 (AOA)
无需测距的定位算法
无需测距
质心定位算法 DV-HOP定位算法
APIT Amorphous 算法
集中式计算&分布式计算
根据在定位过程中是否把信息传送到某个后台中心或 服务器进行节点坐标的计算
三边测量法缺点
若在测距过程中存在误差，上述三个圆 无法交于一点，用存在误差的d1、d2、d3 去解上述方程时便无法得到正确解。因 此，在实际计算坐标时，一般不采用上 述解方程的方法，而采用极大似然估计 或其他数值解法。
三角测量法
已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相 对于节点A、B、C的角度，确定节点D的 坐标；
剩余的都为未知节点，对 节点A定位
DV-HOP算法的3个阶段
(xi , yi ), (x j , y j ) ：为锚节点i与锚节点j的坐 标
dij ：为锚来自百度文库点i与锚节点j之间的实际距
离
h j ：为锚节点i到锚节点j之间的跳数
Hs
D i
Hs
N i
：以锚节点i为基准，计算出的平均每跳距离
M ：锚节点总个数
为未知节点M到锚节点A的测量距离。
Min-Max算法
这些限制框的交集通过下式计算。当未知节点
可利用的锚节点多于3个时，将其转化为
C
3 n
组分别
计算并取其平均值。
主要内容
1 引言 2 定位技术分类
3 DV-HOP定位算法 4 性能指标
DV-HOP算法
DV-HOP定位算法具有方法简单， 定位精度较高的特点，它是利用距离 矢量路由和GPS定位的思想提出的一系 列分布式定位方法之一。
未知节点接收到的平均每跳距离有两种方法：方法1中 未知节点仅记录接收到的第1个平均每跳距离，并转发 给邻居节点；方法2中未知节点记录其到每个参考节点 的不同的平均每跳距离。
方法1确保了绝大多数节点从最近的参考节点接收平均 每跳距离值，也就是说，在方法1中将从最近参考节点 接收的平均每跳距离作为整个网络的平均每跳距离。 但由于网络中节点分布的随机性，需要尽可能多地利 用网络中的信息，采用方法2将具有比采用方法1更优 越的性能。
主要内容
1 引言 2 定位技术分类 3 DV-HOP定位算法
4 性能指标
定位技术的分类
根据定位过程中是否需要测量 实际节点间的距离，定位算法可分为基 于测距(Range-Based)的定位算法和无 需测距(Range-Free)的定位算法。
Range-Based & Range-Free
基于测距的定位
i ：锚节点i的平均每跳距离的权值
DV-HOP算法的3个阶段-无偏估计准则
第2阶段：每个参考节点利用其它参考节点的位置信息和
相隔最小跳数来计算平均每跳距离，并将其作为一个校正值 广播至网络中。当接收到校正值后，节点根据跳数计算与参 考节点之间的距离。
平均每跳距离
当获得每个参考节点的平均每跳距离后，需要将其广 播至网络中的其他节点。
转换为三边测量法。
极大似然估计法
已知1、2、3等n个节点的坐标，及它们到未 知节点D到距离，确定节点D的坐标；
最小均方差估计算法。
极大似然估计法
使用标准的最小二乘法可以得到未知节点的坐标为
Min-max算法
Min-Max算法的基本思想是依据未知节点到各锚 节点的距离测量值及其坐标构造若干个限制框 (bounding-box)，即以锚节点为圆心，未知节点到 该锚节点的距离测量值为半径所构成圆的外接正方 形，正方行交叉区域的几何中心即为未知节点的估 计坐标。如下图所示，说明了有3个锚节点估计距离 时的工作原理，锚节点A（xi,yi)的限制框的4个顶点 的计算如下式所示：
需要测量相邻节点间的 绝对距离或方位，并利 用节点间的实际距离来 计算未知节点的位置。
无需测距的定位
无需这些测量信息，而 是根据网络连通性等信 息，利用节点间的估计 距离计算节点位置。
特点比较
基于测距的定位
定位精度相对较高， 但对额外的硬件设施 要求也比较高
无需测距技术的定 位
成本低、功耗小、 抗测量噪声能力强、 硬件设备简单
集中式计算
把所需信息传送到某个 中心节点(例如，一台 服务器)，并在那里进 行节点定位计算的方式
分布式计算
指依赖节点间的信息 交换和协调，由节点 自行计算的定位方式。
定位的基本方法
三边测量法 三角测量法 极大似然估计法 Min-max算法
三边测量法
已知A、B、C三个节点的坐标，以及它 们到未知节点D的距离，确定节点D的坐 标。
指依赖节点间的信息 交换和协调，由节点 自行计算的定位方式。
DV-HOP算法的3个阶段
第1阶段：网络中的各参考节点通过典型的距离
矢量交换协议向邻居节点广播自身位置信息分组， 使得网络中的所有节点获得距参考节点的最小跳 数信息。
左图是一个由9个 节点组成的小型传感器网络。
L1 L2 L3 为三个参考节点