基于ASGSO算法的改進(jìn)DV-Hop算法*

趙曉青，毛永毅

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

基于ASGSO算法的改進(jìn)DV-Hop算法*

趙曉青，毛永毅

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中DV-Hop算法在最后階段計(jì)算待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)定位精度低的問(wèn)題，提出了一種基于自適應(yīng)步長(zhǎng)螢火蟲優(yōu)化算法的改進(jìn)DV-Hop算法（ASGSODV-Hop）。該算法將DV-Hop算法在估算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)階段所使用的最小二乘法用ASGSO算法代替，采用ASGSO智能算法的自適應(yīng)迭代尋優(yōu)對(duì)DV-Hop算法定位求解的問(wèn)題建立特定的適應(yīng)度函數(shù)并進(jìn)行多次迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，最終使待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與真實(shí)值更為接近。仿真結(jié)果表明，該算法的平均定位誤差約為23.58%；相比于傳統(tǒng)DV-Hop算法，ASGSODV-Hop算法可在無(wú)需附加通信開(kāi)銷的情況下使定位誤差降低約46.49%，提高了節(jié)點(diǎn)的定位精度。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；DV-Hop算法；ASGSO算法；自適應(yīng)迭代；定位精度

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （Wireless Sensor Networks，WSNs）是一種集信息采集、處理和傳輸于一身的智能網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)［1］，可在任何時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境下獲取各種詳細(xì)、精確的目標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)人與物理世界的通信和信息交互，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)為WSN的關(guān)鍵技術(shù)。目前與定位相關(guān)的算法可分為測(cè)距和非測(cè)距兩種，測(cè)距定位算法通常有很高的精度，但需要較大的通信開(kāi)銷和能耗；非測(cè)距定位算法是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通性來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，無(wú)需附加的硬件支持，是目前定位機(jī)制的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的非測(cè)距定位算法有質(zhì)心算法［2］、DV-Hop算法［3-4］、近三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法（Approximate Point-in-triangulation Test，APIT）［5］等。

DV-Hop算法采取距離向量—跳段機(jī)制，由于其實(shí)現(xiàn)難度低，是一種常見(jiàn)的非測(cè)距定位算法。目前很多學(xué)者提出了一些改進(jìn)算法以提高定位精度：文獻(xiàn)［6］采用改進(jìn)的加權(quán)最小二乘法得到待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)以提高定位精度，但通信量過(guò)大；文獻(xiàn)［7］采用蝙蝠算法（Bat Algorithm，BA）對(duì)DV-Hop算法的定位結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，但消耗了過(guò)多的資源；文獻(xiàn)［8］采用誤差跳距加權(quán)策略修正平均跳距，并利用自適應(yīng)步長(zhǎng)粒子群優(yōu)化（Self-adaptive Step Particle Swarm Optimization，ASPSO） 算法對(duì)DV-Hop算法的估計(jì)位置進(jìn)行優(yōu)化，精度有所提升，但增加了計(jì)算量和通信開(kāi)銷。本文采用自適應(yīng)步長(zhǎng)螢火蟲優(yōu)化 （Self-adaptive Step Glowworm Swarm Optimization，ASGSO）算法［9］對(duì)估算位置進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，在無(wú)需附加通信量和計(jì)算開(kāi)銷的基礎(chǔ)上可減少定位誤差，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后算法的定位精度遠(yuǎn)大于DV-Hop算法的精度。

1 DV-Hop算法

DV-Hop算法是由Rutgers大學(xué)的 Dragons等人依據(jù)距離矢量路由和全球定位系統(tǒng) （Global Positioning System，GPS）提出的一種非測(cè)距定位算法。其原理是采用距離矢量路由法得到待定位節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)最小值，同時(shí)計(jì)算出平均跳距，以平均跳距與跳數(shù)最小值的乘積作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和待定位節(jié)點(diǎn)的估算間距，并通過(guò)極大似然估計(jì)法計(jì)算出待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。DV-Hop算法可大體分為以下 3個(gè)階段：

（1）獲取待定位節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的最小跳數(shù)

由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向相鄰節(jié)點(diǎn)傳送自身信標(biāo)信息，包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符、位置及跳數(shù)值，將跳數(shù)初始化為0。記錄并更新所接收信標(biāo)信息的鄰居節(jié)點(diǎn)到每一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)并忽略較大的信標(biāo)信息，跳數(shù)的值增加 1，繼續(xù)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自身信息。當(dāng)網(wǎng)路中的全部待定位節(jié)點(diǎn)均記下距每一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)最小值后此階段終止。

（2）待定位節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離的估計(jì)

經(jīng)過(guò)第一階段，信標(biāo)節(jié)點(diǎn) i得到與其余信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的位置信息和最小跳數(shù)后，用式（1）可計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i與其余信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的平均跳距：

其中，（xi，yi），（xj，yj）分別表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn) i、j的坐標(biāo)，hj表示i距 j的跳數(shù)。

然后，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將平均跳距分組擴(kuò)散至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可通過(guò)最小跳數(shù)和式（2）獲取待定位節(jié)點(diǎn)與其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的間距。

（3）待定位節(jié)點(diǎn)自身位置的估算

已知（xi，yi）是第 i個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，它到待定位節(jié)點(diǎn)M的距離為di，設(shè)（x，y）是待定位節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)，則有：

將式（3）變換成線性方程組 AX=b的形式，其中：

2 改進(jìn)的DV-Hop算法

WSN定位問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是對(duì)非線性方程組進(jìn)行求解，為NP難解問(wèn)題。DV-Hop算法在計(jì)算待定位節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的間距時(shí)，由于待定位節(jié)點(diǎn)認(rèn)為它到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均跳距是相同的，會(huì)造成較大的定位誤差。目前為止，已有學(xué)者提出用元啟發(fā)式算法對(duì)定位后期的位置進(jìn)行優(yōu)化，如前文提到的BA算法和ASPSO算法。本文采用ASGSO算法對(duì)DV-Hop算法求出的待定位節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 ASGSO算法

2.1.1 自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)整策略

螢火蟲群優(yōu)化 （Glowworm Swarm Optimization，GSO）算法［10］是一種群智能算法，利用螢火蟲發(fā)光吸引同伴這一現(xiàn)象進(jìn)行模擬，發(fā)光越強(qiáng)便可吸引越多的同伴，每個(gè)螢火蟲通過(guò)移向目標(biāo)區(qū)域內(nèi)最亮螢火蟲尋求最優(yōu)解。

原始GSO算法存在易陷入局部最優(yōu)的缺陷，其計(jì)算精度較低，且最后階段收斂速度較慢，這些問(wèn)題與步長(zhǎng)密切相關(guān)。尋優(yōu)時(shí)螢火蟲的移動(dòng)步長(zhǎng)越大則越容易尋求到全局最優(yōu)解，但其尋優(yōu)精度隨之降低，甚至?xí)霈F(xiàn)震蕩；移動(dòng)步長(zhǎng)小會(huì)造成尋優(yōu)速度慢，但尋優(yōu)精度得到提高。

針對(duì)此問(wèn)題提出的ASGSO算法解決了原始GSO算法中存在的問(wèn)題，有極好的尋優(yōu)能力和尋優(yōu)精度。引入熒光因子：

其中，Xi為第 i只螢火蟲的狀態(tài)，Xext為熒光素濃度最大的螢火蟲的狀態(tài)，dmax為最優(yōu)螢火蟲與剩余螢火蟲的最大距離。

自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)整辦法為：

式中，smax和 smin為尋優(yōu)步長(zhǎng)的最大值和最小值，Hi為熒光因子。

根據(jù)式（7）、（8）自適應(yīng)變換迭代步長(zhǎng)，當(dāng)螢火蟲個(gè)體與目標(biāo)螢火蟲距離較近時(shí)，Hi值減小，則 si值相應(yīng)減小，使用略小的步長(zhǎng)si可使螢火蟲接近目標(biāo)個(gè)體，精度得以提高；當(dāng)螢火蟲與目標(biāo)螢火蟲距離較遠(yuǎn)時(shí)，Hi值的增大會(huì)造成 si值增大，可使螢火蟲在步長(zhǎng)略大時(shí)實(shí)現(xiàn)快速尋優(yōu)。ASGSO通過(guò)靈活調(diào)整搜索步長(zhǎng)提升了尋優(yōu)的速度和精度。

2.1.2 算法描述

ASGSO算法流程如下：

（1）初始化。n只螢火蟲組成螢火蟲群，設(shè)定搜索維數(shù)m，感知最大半徑rs及其變化系數(shù)β，最大迭代次數(shù)itermax，熒光素?fù)]發(fā)系數(shù) ρ及其更新率 γ，優(yōu)秀螢火蟲個(gè)體數(shù) nt，原始位置 xi（0），原始熒光素大小 l0和感知范圍r0，原始步長(zhǎng) si（0），最大步長(zhǎng) smax，最小步長(zhǎng) smin。

（2）熒光素更新。 J（xi（t））為迭代位置 xi（t）的目標(biāo)函數(shù)。將螢火蟲在 t次迭代位置 xi（t）相對(duì)應(yīng)的 J（xi（t））轉(zhuǎn)換成熒光素值 li（t）=（1-ρ）li（t-1）+γJ（xi（t）），螢火蟲選取比自身熒光素高的個(gè)體組成鄰域集 Ni（t），其中，0＜rdi（t）≤rs，rs為螢火蟲的感知半徑。

（3）概率選擇。 個(gè)體 i移至鄰域集個(gè)體 j的概率 pij用輪盤賭選取個(gè)體 j。

（4）自適應(yīng)步長(zhǎng)改變。利用式（7）計(jì)算每個(gè)個(gè)體的熒光因子，用式（8）計(jì)算出步長(zhǎng)值。

（5）位置更新。根據(jù)xi（t+1）=xi（t）+s更新位置。

（6）更替決策域。 由 rdi（t+1）=min｛rs，max｛0，rdi（t）+ β（ni-|Ni（t）|）｝｝更新動(dòng)態(tài)決策域半徑。

（7）迭代結(jié)束。判斷是否完成所設(shè)定的迭代次數(shù)，如果是則輸出結(jié)果；否則轉(zhuǎn)至步驟（2）。

2.2 基于ASGSO算法的改進(jìn)DV-Hop算法

DV-Hop算法進(jìn)行定位時(shí)，由于距離的不確定性導(dǎo)致誤差存在。定位問(wèn)題的要點(diǎn)是使誤差達(dá)到最小，即提高定位精度，因此提出一種基于 ASGSO算法的改進(jìn)DV-Hop算法，即ASGSODV-Hop算法。

設(shè)待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），利用式（2）可得待定位節(jié)點(diǎn)與第 i個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估算間距為 di，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)間距與真實(shí)間距的偏差為 εi，則式（3）可改為：

通過(guò)觀察式（9）可以看出，當(dāng)（|ε1|+|ε2|+…+|εn|）的值最小時(shí)，所求得的未知節(jié)點(diǎn)（x，y）與真實(shí)節(jié)點(diǎn)位置最為接近。由于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與待定位節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)越多會(huì)導(dǎo)致兩者間距的估計(jì)偏差越大，故將其跳數(shù)的倒數(shù)當(dāng)作權(quán)重設(shè)置ASGSO算法的適應(yīng)度函數(shù)，如式（10）所示。完成所設(shè)定的運(yùn)算次數(shù)后即可結(jié)束 ASGSO算法，以所尋求的最優(yōu)值當(dāng)作優(yōu)化后的估算值。

其中，hi為待定位節(jié)點(diǎn)（x，y）與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（xi，yi）間的跳數(shù)，1/hi為權(quán)重。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估ASGSODV-Hop算法的性能，分別對(duì)DVHop算法改進(jìn)前后進(jìn)行仿真，分析比對(duì)仿真得到的結(jié)果。將若干節(jié)點(diǎn)散播在 100m×100m正方形感知區(qū)域內(nèi)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)占 10%，待定位節(jié)點(diǎn)占 90%。為了降低隨機(jī)性誤差，在同等參數(shù)條件下進(jìn)行 100次仿真，取其均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文選取文獻(xiàn)［11］提到的定位誤差作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，如式（11）所示：

其中，R為通信半徑，（xr，yr）為待定位節(jié)點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)，（xi，yi）為使用ASGSODV-Hop算法得出的待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，N為待定位節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3.1 算法參數(shù)設(shè)置

設(shè)定種群規(guī)模 n=50，維數(shù)m=2，揮發(fā)系數(shù) ρ=0.4，更新率 γ=0.6，初始熒光素大小 l0=5，感知范圍 r0=10，初始步長(zhǎng) si（0）=0.03，變化系數(shù) β=0.08，最大迭代次數(shù)itermax=200。

3.2 算法仿真結(jié)果分析

將 200個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通信半徑設(shè)置為R=30m，圖1和圖2分別為DV-Hop算法和 ASGSODV-Hop算法的定位誤差圖，圖中‘*’表示信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，‘o’ 表示待定位節(jié)點(diǎn)估計(jì)位置，‘▽’ 表示待定位節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置，‘o’和‘▽’之間的連線表示待定位節(jié)點(diǎn)的定位誤差，線段越長(zhǎng)，定位誤差越大，反之越小。從圖中可看出，改進(jìn)算法的估計(jì)位置和實(shí)際位置之間的線段更短，即它們之間的定位誤差更小。通過(guò)DV-Hop算法得出的平均定位誤差為 17.48， 定位精度為 34. 96%，ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差為 10.62，定位精度為21.24%。由此可知ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差和定位精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)DV-Hop算法。

圖1 傳統(tǒng)DV-Hop定位誤差

圖2 ASGSODV-Hop定位誤差

在定位技術(shù)中，通信半徑、節(jié)點(diǎn)數(shù)及網(wǎng)絡(luò)連通度的變化都會(huì)影響定位精度，下面分別討論兩種算法在不同通信半徑、不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)以及不同網(wǎng)絡(luò)連通度條件下的定位精度。

（1）不同通信半徑

圖3表示通信半徑從 15m～40m時(shí)兩種算法的平均定位誤差曲線圖，在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署 200個(gè)節(jié)點(diǎn)，20個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。從圖中可知，在同樣參數(shù)條件下，兩種算法的平均定位誤差均隨通信半徑的不斷增加逐漸降低，并且當(dāng)通信半徑在 15m～30m范圍內(nèi)時(shí)，平均定位誤差下降速率較快；通信半徑在 30m以后時(shí)，平均定位誤差趨于穩(wěn)定，并且在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差比 DV-Hop減小約35.28%。在整個(gè)通信半徑變化區(qū)域內(nèi)，與DV-Hop算法相比較，ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差可降低約 43.51%，使精度明顯提升。

圖3 不同通信半徑下平均定位誤差曲線圖

（2）不同節(jié)點(diǎn)數(shù)

圖4表示通信半徑為 R=30m、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 20時(shí)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)由 100變化至 400的平均定位誤差曲線。從圖中可看出，在相同條件下兩種算法的平均定位誤差均隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增大而減小，并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)在 200～400之間時(shí)，待定位節(jié)點(diǎn)誤差趨于穩(wěn)定。經(jīng)分析可知 ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差比 DV-Hop算法降低了約47.98%；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于200時(shí)兩種算法的定位誤差下降幅度較大，此時(shí)與傳統(tǒng)DV-Hop算法相比，ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差可下降約52.73%。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)下平均定位誤差曲線圖

（3）不同網(wǎng)絡(luò)連通度

由于 DV-Hop算法是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性來(lái)進(jìn)行定位的，網(wǎng)絡(luò)連通度這個(gè)概念一定意義上可反映定位區(qū)域中節(jié)點(diǎn)間的相互位置、節(jié)點(diǎn)通信半徑以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量間的相互關(guān)系。圖5為不同網(wǎng)絡(luò)連通度下兩種算法的平均定位誤差曲線，從圖中可清晰看出隨著網(wǎng)絡(luò)連通度參數(shù)值的升高定位誤差逐漸減小，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連通度大于20時(shí)，兩種算法的定位誤差值變化都比較平緩。與傳統(tǒng)DV-Hop算法相比，ASGSODV-Hop算法的平均定位誤差降低約51.76%。

4 結(jié)論

圖5 不同網(wǎng)絡(luò)連通度下平均定位誤差曲線圖

本文在充分研究DV-Hop算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)定位精度較低這一缺點(diǎn)，在無(wú)需附加硬件和通信量的條件下采用ASGSO算法對(duì)DV-Hop算法的待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)理論分析和算法仿真實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)ASGSO算法優(yōu)化后的 DV-Hop算法使定位誤差下降約46.49%，定位精度得到明顯提高。此外，ASGSO算法的高效運(yùn)行可有效提高 DV-Hop算法在 WSN中的適用性，使其應(yīng)用更為廣泛。

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The improved DV-Hop algorithm based on ASGSO algorithm

Zhao Xiaoqing，Mao Yongyi
（School of Electronic Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710061，China）

Aiming at the coordinate′s low accuracy of unlocated node at the last step of DV-Hop algorithm in wireless sensor network，an improved DV-Hop algorithm （ASGSODV-Hop）based on self-adaptive step glowworm swarm optimization algorithm is adopted.Using ASGSO algorithm at the step of estimating the nodes coordinate of DV-Hop algorithm instead of the Least Square Method，the adaptive iteration optimization of ASGSO algorithm is adopted to construct a particular fitness function for the problem to be solved when using DV-Hop algorithm at the process of locating，and the optimization can be realized by multiple iteration which make the unlocated node more closed with the true value.The simulation result indicates that the average location error is about 23.58%.Compared with traditional DV-Hop algorithm，ASGSODV-Hop algorithm makes the location error reduced by 46.49%without adding communication cost and improves the location accuracy of the node.

wireless sensor network；DV-Hop algorithm；ASGSO algorithm；adaptive iteration；positional accuracy

TP393

A

1674-7720（2015）23-0058-04

趙曉青，毛永毅.基于ASGSO算法的改進(jìn)DV-Hop算法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：58-61.

2015-08-07）

趙曉青（1989-），女，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位。

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014JM2-6088）

毛永毅（1969-），男，博士，教授，主要研究方向：移動(dòng)臺(tái)定位、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位。