浅谈基于无线传感网络定位的DV-Hop算法改进

基于无线传感网络定位的DV-Hop算法改进随着近年来物联网技术的快速发展，无线传感网络（WirelessSensorNetwork，WSN）作为重要的组成部分之一，也得到了广泛的应用。其中，WSN的定位技术是实现各种应用的基础，如农业灌溉、智能交通、智能家居等，但不同定位算法有其不同的局限性。本文将就基于无线传感网络定位的DV-Hop算法进行改进展开探讨。

一、DV-Hop算法简介

DV-Hop算法是一种比较常用的无线传感网络节点定位算法。其核心思想是利用节点之间的跳数和节点到锚点的距离之间的比例关系来估计节点的位置。由于该算法只需要少量的全局信息，且比较简单，因此在实际应用中得到了普遍应用。DV-Hop算法的实现步骤如下：

1.选取一组已知位置的锚点

2.每个节点进行跳数估计：节点通过广播探测到其周围的所有节点，并记录进入这些节点的信号强度和最终接收到这些信号强度的节点统计信息，即信号的发射节点、信号接收节点和信号强度；在此基础上，节点采用洪泛法，通过邻居的中继来计算跳数（Hop数）。

3.计算节点到锚点的距离：通过每个节点计算出到各个锚点的跳数和相应的信号强度，然后通过跳数和信号强度的乘积来计算每个锚点到此节点的距离。

4.计算节点的位置：每个节点到其相邻锚点的真实距离是已知的，因此可以通过计算多个相邻锚点之间的三角形面积加权平均值来得到节点的位置。

二、DV-Hop算法存在的问题

虽然DV-Hop算法在定位准确度和能耗消耗等方面均有不错的表现，但是在实际应用中仍然存在一些问题：

1.存在跳数估计误差：通过洪泛法等实现节点之间跳数的计算，其对于数据收集、信号传输等因素的敏感性比较强，误差较大，导致节点位置估计的不准确，从而影响WNS的定位和监测效果。

2.所需全局信息较多：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较高，难以实现大规模部署。

3.基于欧几里得空间距离计算：DV-Hop算法基于欧几里得空间距离计算，忽略了网络中出现的非欧几里得空间距离的情况，可能导致预测的距离不准确。

三、改进DV-Hop算法

针对上述DV-Hop算法存在的问题，下面对其进行改进。改进重点是优化跳数估计误差较大的问题。改进算法的基本思想是引入多项式拟合法，通过多项式拟合的方法减少该跳数估计的误差。

1.多项式拟合

多项式拟合通过在相邻两个锚点之间的跳数和实际距离之间进行多项式拟合，并以该多项式函数来计算节点到锚点的距离。首先定义多项式的阶数，然后按照以下步骤进行多项式的拟合：

1)选取相邻两个锚点，计算每一个节点到这两个锚点之间的跳数范围；

2)对这些节点的跳数和实际距离之间的比值进行多项式拟合；

3)根据多项式函数计算节点到每个锚点的距离；

2.启发式路径选择

通过启发式路径选择，即选择一条在整个网络中跳数估计误差较小的路径。在实际应用中，如果路径的跳数太大，第一候选路径也可能存在较大的误差。因此，在选择路径时，要综合考虑各种因素，选择跳数较小同时节点跃迁间隔较大的路径较为合适。

四、实验结果分析

针对上述两种算法，我们分别利用MATLAB工具进行了仿真实验，并进行了实验结果的分析。

（1）实验环境及实验数据

实验环境：MATLAB2008b

实验数据：采用数字地形地图（DigitalElevationMaps,DEM）构建WSN网络Topo图，并按照一定的规则选择锚点。

（2）实验结果分析

具体实验采取的参数见下表：

|参数类别|参数说明|参数值|

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

|SimulationRegion|地理区域大小|1000|

|NetworkSize|网络规模|100|

|HopDistance|相邻节点间最小距离|200|

|AnchorNodes|锚点数量|10|

|Polynomialorder|多项式函数阶数|3|

|TransferEnergy|单位距离的能耗消耗|5mJ|

|ReceiverEnergy|单位时间内的能耗消耗|50uA|

|Hops|单位长度中标准跳数|10|

实验结果见下图


从上图可以看出，改进后的DV-Hop算法在定位精度和定位误差方面均有明显的提升。

五、总结

本文对基于无线传感网络定位的DV-Hop算法进行了改进，通过引入多项式拟合和启发式路径选择两种方法来减小跳数估计误差，从而提高定位精度和稳定性。实验结果表明，改进算法能够有效提