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无线传感器网络质心定位算法仿真研究
作者：梁建国 费建刚 傅游 来源：《软件导刊》2014年第06期
摘要摘要：质心定位算法是无线传感器网络中一种经典的无需测距的定位算法。系统分析了锚节点个数、节点通信半径以及网络中节点总数对该算法定位性能的影响，并进行了仿真。通过对仿真结果的分析，在100m×100m的无线传感器网络区域内，当锚节点个数为总节点个数的10%时，针对不同的总节点个数，存在最优的节点通信半径，可以使节点定位率达到95%以上，同时具有较小的节点定位误差。
关键词关键词：无线传感器网络；质心定位算法；定位性能
中图分类号：TP312文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2014）006004403
基金项目基金项目：山东省高等学校科技计划项目（J11LG22）；青岛经济技术开发区重点科技发展计划项目（2012-2-48）；青岛港湾职业技术学院自然科学研究项目（QDGW2013Z02）
作者简介作者简介：梁建国（1981-），男，硕士，青岛港湾职业技术学院计算机科学系讲师，研究方向为无线传感网；费建刚（1966-），男，青岛港湾职业技术学院计算机科学系教授，研究方向为无线传感网；傅游 (1968-),女,博士,山东科技大学信息科学与工程学院教授,研究方向为并行编译技术、分布与并行处理、高性能计算。0引言
在无线传感器网络( Wireless Sensor Network，WSN)中，节点定位功能至关重要，因为在无线传感器网络绝大多数的应用中，节点的位置信息和感知信息同等重要，没有位置信息的感知数据没有实际意义［1］。例如，在地震、洪水、火灾、医疗监护等现场监控中，都需要获取目标对象发生的具体位置信息。
目前，最常见的节点定位方法是根据是否需要测量相邻节点间的距离或角度信息进行分类，将其分为基于测距的定位方法和无需测距的定位方法［2］。常见的基于测距的定位方法有TOA、TDOA、AOA和RSSI［3］，而常见的无需测距的定位方法有质心定位算法、凸规划定位算法、DV-Hop定位算法和APIT算法等［4］。 1质心定位算法介绍
质心定位算法是由南加州大学Nirupama Bulusu［5］等学者提出的一种无需测距的室外定位算法，其核心思想是未知节点在其通信范围内把包围自己的锚节点构成的多边形区域的几何中心作为质心，并将其作为未知节点的位置。如图1所示，如果多边形ABCDEF的顶点坐标
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分别为A(x1, y1)、B(x2, y2)、C(x3, y3)、D(x4, y4)、E(x5, y5)，则其质心坐标为：(x,y)=(x1+x2+x3+x4+x55,y1+y2+y3+y4+y55)
质心定位算法作为一种典型的无需测距的定位算法，一直以来都是研究的热点。通过阅读文献［6］［8］发现，目前关于算法改进方面的文献较多，而对固定区域中影响算法定位性能的各参数之间的相互制约关系研究较少。为此，本文从该方面入手进行具体研究。 图1质心定位算法 2研究思路 2.1研究目标
在固定的无线传感器网络区域内，研究锚节点个数、节点通信半径以及总节点个数对算法定位性能的影响，保证在一定网络连通度的基础上，找出较优的参数设置使其定位性能表现最优。
2.2研究方法
在固定的监测区域内，在保证一个参数不变的情况下，研究其它两个参数变化对算法定位性能的影响，通过它们对定位性能影响的变化曲线，找出一定的规律，进而找出不同定位环境下的最优参数设置。
2.3定位算法的性能衡量指标
衡量定位算法的性能指标包括定位的精确性和定位率。
（1）定位精确性。精确性在定位算法性能指标中最为重要，为了简单且相对公平地评价各节点自身对定位算法的定位性能影响［9］，本文使用平均定位误差对定位精度进行表征，计算方法见式（1）。error=∑Ni=1erroriN=∑ni=1(n－xn)2+(n－yn)2N(1)式中，(xn, yn) 为节点n的实际坐标；(n,n)为定位算法估计出的未知节点的坐标； N为节点数量。
（2）定位率。定位率是一项重要的定位性能指标，如果定位率较低，网络将无法正常工作。定位率表示为可定位的节点个数与未知节点个数的比值。 3仿真结果与分析
本文使用Matlab进行仿真验证，仿真环境规定：在100m×100m的无线传感器网络区域内，锚节点随机分布，但已经实现定位，其它节点一旦被部署，位置便保持不变，在定位过程中所有节点都不会发生物理位置的改变，并且传感器节点的无线信号发射模型定义为一个同心圆。
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3.1锚节点个数对定位性能影响分析
锚节点个数对算法定位性能影响的变化如图2所示。图2(a)是节点总数为100个，节点通信半径分别为20m、25m、50m时，质心定位算法随着锚节点个数由3增加到30时的变化情况；图2(b)是节点通信半径为25m，节点总数分别为100、300、500时，质心定位算法平均定位误差随着锚节点个数由3增加到30时的变化情况。
从图2可以看出，在节点总数一定时，随着锚节点个数的增加，通信半径为50m时的平均定位误差比通信半径为25m和30m时平均增大了8.86m和5.54m，通信半径为50m时的平均定位率比通信半径为25m和30m时接近于1的变化速率要快；在节点通信半径一定时，随着锚节点个数的增加，平均定位误差在逐渐减小，平均定位率在增加，当锚节点个数增加到一定程度时，两者变化都趋于平缓。由此可知，质心定位算法随着锚节点个数的增加，其定位误差在减小，定位率在变大。考虑到锚节点成本较高，因此本文选择锚节点个数为10%的节点总数。在锚节点个数和节点总数一定的情况下，随着节点通信半径的变大，其定位率在变大，但其定位精度在减小，为此，在锚节点个数和节点总数一定的情况下，存在最优的节点通信半径使其定位率较高，定位误差较小。
图2质心定位算法不同锚节点数下的定位性能 3.2节点通信半径对定位性能的影响
节点总数为100个，锚节点个数分别为6、8、10，节点通信半径从10m到50m变化时，质心定位算法定位性能变化如图3所示。从图3可以看出，质心定位算法在锚节点个数一定时，随着节点通信半径的增加，其定位误差在逐渐增加，基本呈现线性增长趋势，同时其定位率也在逐渐增加，并且在节点通信半径增加到一定程度时，其定位率趋近于1。由此可知，在100m×100m的区域内，节点总数为100时，对于质心定位算法而言，锚节点个数为10，节点通信半径为25m时，节点定位率可以达到95%以上，并且定位误差较小。 图3质心定位算法不同节点通信半径不同锚节点下的定位性能 3.3节点个数对定位性能的影响
通过以上分析可知，在节点总数为100，锚节点个数一定时，对于质心定位算法而言，存在最优的节点通信半径，接下来将研究无线传感器网络中节点总数变化时，它们存在的最优节点通信半径情况。在后续仿真实验中，锚节点个数取节点总数的10%。
质心定位算法在节点总数为100、300、500，节点通信半径从5m到50m变化时，节点定位性能变化情况如图4所示。
图4质心定位算法不同节点通信半径不同节点个数下的平均定位误差