[论文解读] Jumps: Enhancing hop-count positioning in sensor networks using multiple coordinates

Farid Benbadis, Jean-Jacques Puig+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2006

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 17被引用 9

一句话总结

Jumps 提出了一种基于跳数的无线传感器网络定位系统，通过使用任意数量的信标点（而非通常的三个）来提高定位精度，仅依赖本地连接知识。通过增加信标点数量，Jumps 显著减少了坐标模糊性——将平均区域大小降低至 0.29 个无线范围和每区域 2.3 个节点——从而在不增加硬件或密集部署的前提下，实现可靠的基于位置的路由。

ABSTRACT

Positioning systems in self-organizing networks generally rely on measurements such as delay and received signal strength, which may be difficult to obtain and often require dedicated equipment. An alternative to such approaches is to use simple connectivity information, that is, the presence or absence of a link between any pair of nodes, and to extend it to hop-counts, in order to obtain an approximate coordinate system. Such an approximation is sufficient for a large number of applications, such as routing. In this paper, we propose Jumps, a positioning system for those self-organizing networks in which other types of (exact) positioning systems cannot be used or are deemed to be too costly. Jumps builds a multiple coordinate system based solely on nodes neighborhood knowledge. Jumps is interesting in the context of wireless sensor networks, as it neither requires additional embedded equipment nor relies on any nodes capabilities. While other approaches use only three hop-count measurements to infer the position of a node, Jumps uses an arbitrary number. We observe that an increase in the number of measurements leads to an improvement in the localization process, without requiring a high dense environment. We show through simulations that Jumps, when compared with existing approaches, reduces the number of nodes sharing the same coordinates, which paves the way for functions such as position-based routing.

研究动机与目标

• 解决无线传感器网络中缺乏准确、低成本定位的问题，其中 GPS 或 RSS 基于的方法不切实际。
• 克服现有基于跳数的定位系统仅依赖三个信标点所带来的局限性，该局限性导致坐标模糊性较高。
• 开发一种可扩展、节能的定位方法，仅使用连接信息，无需专用硬件。
• 证明增加信标点数量可提高定位精度，而无需提高节点密度或发射功率。
• 通过最小化共享相同坐标的节点数量，实现实用的基于位置的路由。

提出的方法

• 每个信标点向网络泛洪发送探测包，使节点能够测量其到信标点的跳数距离。
• 节点基于对多个信标点的跳数距离，使用 trilateration（三边测量法）计算其坐标，形成多坐标系。
• 系统基于 CC2420 无线电模块的能耗建立理论能量模型，用于比较不同配置下的能耗成本。
• 采用自由空间路径损耗模型，将发射功率与通信范围及节点密度关联。
• 该方法将能耗评估为信标点数量（N）和平均邻居数（dneig）的函数。
• 通过仿真比较在不同信标点数量和网络密度下区域大小及节点分布情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 将信标点数量增加到三个以上，对基于跳数的定位系统中坐标系的准确性有何影响？
• RQ2 使用更多信标点是否可以在不增加网络密度或发射功率的情况下减少坐标模糊性？
• RQ3 增加信标点的能耗成本是多少？与增加发射范围相比如何？
• RQ4 更高的信标点数量是否能通过最小化共享坐标来实现可靠的基于位置的路由？
• RQ5 该系统是否能在稀疏或非规则部署的传感器网络中保持定位精度？

主要发现

• 使用十个信标点可将平均区域大小降低至 0.29 个无线范围，而使用三个信标点在密集网络中为 0.7。
• 使用十个信标点时，平均每个区域的节点数降至 2.3，显著提高了坐标的唯一性。
• 拥有 50 个平均邻居且使用三个信标点的网络，其能耗与拥有 10 个邻居且使用十个信标点的网络相当。
• 增加信标点的能耗成本与增加发射范围相当，提供了硬件成本与能效之间的权衡。
• 该系统实现了足够的坐标分辨率，可支持纯基于位置的路由，从而无需主动路由协议。
• 即使在泛洪通信增加的情况下，该方法仍保持低能耗，因为理论模型表明其能耗可随 N 和 dneig 可控扩展。