TELKOM NIKA , Vol.14, No .1, March 2 0 1 6 , pp. 211~2 1 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.1731    211      Re cei v ed Ma rch 1 0 , 2015;  Re vised Novem ber 23, 20 15; Accepted  De cem ber 1 2 ,  2015   Robust Localization Algorithm Based on Best Length  Optimization for Wireless Sensor Networks      Hua Wu 1 , Guang y uan Zhang 1 , Yang Liu *1,2 , Xiaoming  Wu 1 , Bo  Zhang 1,3   1 School of Infor m ation Sci enc e & Electrical  E ngi neer in g/Sha ndo ng Ji aoton g Univ ersit y ,   Jina n 25 035 7, Shan do ng, Chi n a   2 Nation al Ke y  Lab orator y of  CNS/AT M /Beihang U n ivers i t y   3 School e of Informatio n  Scien c e & Engin eer i ng/Sha n d ong  Univers i t y   *e-mai l : l y 03 14 @12 6 .com       A b st r a ct   In this pa per, a  robust ra nge-f r ee loc a l i z a tio n  alg o rith m by r eali z i n g best h op l ength  opti m i z at io n i s   prop osed for n ode l o cal i z a ti o n  prob le m in w i r eless se nsor n e tw orks (W SN s). T h is algorit hm is d e rive d from  classic  DV-H o p   meth od  b u t the cr itical  h o p   len g th  betw e e n  a n y r e lay  n o des  is  accurat e ly c o mput ed  and   refine d i n  sp a c e W S Ns w i th  arbitr ary n e tw ork co nnectiv i ty. In case  of  netw o rk par a m eters h op  le ng th  betw een  no de s can  be  d e ri ved w i tho u t c o mplic ated   co mp utatio n and   further opti m i z e d  usin g  K a l m a n   filterin g i n  w h ich  gu ara n te es ro bustn es s eve n  i n  c o mplic ated  e n viro nment w i t h ran d o m  n o d e   communic a tio n  range. Esp e ci ally se nsor fus i on tech ni ques  used h a s w e ll  gain ed ro bust ness, accuracy ,  scala bil i ty, an d  pow er  efficie n cy ev en  w i thout acc u rate  d i stance  or  an g l e  measur e m e n t w h ich  is  mor e   suitab le i n  no nl ine a r con d itio n s  and p o w e r li mite d W S Ns e n viro nment. Si mu lati on res u lt s indic a te it ga i ned  hig h  accuracy  compar ed w i th  DV-H op an d Centro id meth ods in   ran d o m   co mmu n icati o n  ra ng e  co nd iti ons   w h ich prov es it  gives c har acte ristic  of hi gh r o bustness. Als o   it nee ds re la tiv e ly littl e co mp u t ation ti me w h i c h  possess es hi g h  efficie n cy. It can w e ll s o lve   local i z a ti on  pro b le m w i th  ma n y  unkn o w n  nos ed i n  the  netw o rk  and res u lts pro v e the theor eti c al an alysis.      Ke y w ords : W S Ns, Local i z a t i on Alg o rith m, Rob u stness, H op Le ngth Opti mi z a t i o n       Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Wirel e ss  sen s or  networks (WS Ns) a r e  comp osed o f  thousa n d s   of tiny and i n telligent  sen s o r s  whi c h a r e  re spo n s ible  for thei r o r ga nizatio n , co nfigu r ati on a n d  wo rking in  o r de r  to   provide  sen s ing ta sks a s sign ed to th em. As the   developm ent  of low-co st and l o w po wer  sen s o r s, mi cro-p r o c e s sor  and ra dio fre quen cy circ ui try for inform ation tran smi ssi on, there is a   rapid  develo p ment of WSNs [1], whi c h  can  b e  deploye d  in  large  numb e rs a nd p r ovi de  unprecede nte d  opp ortuniti es fo r vario u s  ki nd of  ap plicatio ns,  su ch a s  milita r y surveilla nce,  environ menta l  monitorin g , habitat monit o ring, a nd st ructu r al m oni toring et c., [2-5]. The r e a r e   many chall e n ges in the s e  broa d appli c a t ions.   Ho wever sen s or no de lo ca lization  ha s b e com e  the  m o st imp o rtant  one, n a mely  how to  locali ze un kn own  sen s o r s with smalle st numbe r of anch o rs tha t  reduces  co mputation time,   comm uni cati on overhea d s , and  ene rg y con s umptio n  but with  hi gh lo cali zatio n  accu ra cy h a s  become a hot  rese arch topi c.  One  comm on  way in the  world i s  Glo bal  Positionin g   System (GPS ) syste m .  But it is not  s u ita b l e  in   WSN s   b e c a us e its  pe r f or man c e d e g r ad es  dr as tic a lly  w h en  re ce iver  is in  in d o o r  o r   locate d in forest environ ments. Mea n w hile a s  a result of con s traint s in si ze and p o wer  con s um ption,  it is u n fea s i b le to e quip   traditional  G PS receivers for all  no de s in  WS Ns.  Only  those that ha ve the features of well fle x ibilit y, convenient mainten ance and lo w-co st upd ate are   highly need e d .  Node lo cal i zation i s  one  of the importa nt supp orting  techn o logie s  i n  WSNs.   Nod e  locatio n  information  should b e  inclu ded in the colle cted  informatio n so as to   reali z e un kn o w n localizatio n pro c e ss in the physi ca l world. Until no w many algo rithms espe cia lly  desi gne d for WS Ns environment  have  bee n p r op o s ed  an d  can  be  so rted  i n to range -b a s ed   categ o ry [6], su ch a s  Ao A (Angle of  Arrival) m e a s urem ent [7], ToA (Time  o f  Arrival), TDoA  (Time  Differe nce  of Arrival )  [8, 9], a nd  RSS (Rec eived  Signal  Stren g th) [1 0, 11].  The  RSS  way  is  sup e rio r  to  the te chn o log i es  ba sed  on  TDOA, TOA  and  AOA [1 0]. The  RSS - ba sed  lo cati ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  211 – 2 1 8   212 techn o logy h a s the ch aracteri stics of  low co st, no extra har d w are req u ire m ents, ea sy to   impleme n t, which  ha s be en wi dely ap plied. In  re cent years, th e sp arse tra n sformation  and  comp re ssed  sen s in g on WSNs lo cating  resea r ch hav e become the  acad emic h o t spot.  The  oth e r m a in catego ry is  d e scri bed  as ra n ge-f r ee . This  one  o n ly employ s  distan ce  vector excha nge  and  net work  conn ectiv i ty to fi nd the  dista n ces be tween  the  no n-an ch or no d e s  and th e a n ch or  node s to realize n ode  l o cali zatio n  by  pe rformi ng  a  tri-late ration   or m u lti-late ra tion   techni que   [ 12, 13]  incl u d ing  DV-hop  [14],  DV -di s tance, APIT,  Eucli dean,   Amorph ou s [ 15],  Centroid a n d  others. The  differen c e s   betwe en  ran ge-b a sed a n d  ran g e - free  are that  ran ge- based a ppro a ch es  have  highe r a c curacy but m o re expen sive  hardwa r e  a nd hig her po wer  con s um ption  are ne ede d a nd ran g e - free  ones n eed n o  more  comp licated h a rd ware an d po wer  con s um ption  but with rel a tively low po sition esti m a tio n  error. Th e para m eter th at determin e s its  accuracy is d e rivation of h op length b e twee n two no des.   In this pape r, a robust ra nge-f r ee lo ca lization alg o ri thm by realizing best ho p  length  optimizatio n,  whi c h i s  hi gh  efficient  and  accu rate , i s   prop osed. T h is al gorithm  i s  d e rived  fro m   cla ssi c t w o - di mensi onal  DV-Ho p  m e tho d  but th e  criti c al  hop  len g th bet wee n  a n y  relay  nod es is  accurately computed  an d  refine d in  space WS Ns  with all  sen s ors de ployed  ran domly a nd  arbitrary net work  co nne ctivity. In case of  netwo rk  para m eters hop l e ngt h between  node s can b e   derived  with o u t co mplicate d  computatio n an d fu rth e r optimized  using Kalm an fi ltering i n   whi c h   guarantee s robu stne ss e v en  in compl i cated env iro n ment  with random  nod e  comm uni cati on  rang e. Espe cially sen s or f u sio n  tech niq ues u s e d  in  this pap er h a s well gain ed ro bu stne ss,  accuracy, scalability, and power efficie n cy even wi t hout accu rate  distan ce o r  angle info rma t ion   whi c h is mo re  suitable in n online a r cond itions.   The co ntribut ion of this paper i s  as fo llows. A robu st 3D nod e locali zatio n  base d  on  prob ability de nsity functio n  analysi s  i s   prop osed a n d  in this  algo rithm the b e st hop len g th  is   comp uted  by  usi n g  re gion al di re ction  e s timation  an d refined  by  data fu sion  t e ch nolo g y wi th   relatively low computatio n  time and powe r  co nsu m ption. It has a high ro bust lo cali zat i on   accuracy and   rob u stn e ss. The comm uni cation   ra nge   is n o t fixed b u t ran domly  cha nge d, whi c h   make s it mo re suita b le in  compli cted  e n vironm ets.  This b r e a k th roug h the bi g gest rest raint  in   wirel e ss sen s or networks.  The re st of the pap er i s   orga nized a s  follows. Se ction II gives some  ba sic  probl em  statement  an d pa ram e ter  definition s . Hop le ngth  opt i m ization  with   Kalman filteri ng a r e  de scri bed   in Section III. Section IV describes the  whol e lo cali zation al gorithm and  Section V illustrates the  theoreti c al an d simulatio n  result s. Finally, concl u si on s are liste d in section VI.      2. Problem Statement a n d Paramete r Defini tions   2.1. Problem Statemen t  In ra nge -free  localization  algorith m s di st an ce betwe en  u n kno w n node s and   a n ch ors  i s   the key pa ra meters an d b e com e s the  core p r o c ed u r e in  the lo calizatio n alg o r ithms.  No rm ally  this distan ce  is com puted  by hop length  and  hop cou n ts between  unkno wn and  ancho rs. On ce  the three  sim ilar di stan ce s are  obtaine d  the  un kno w n co ordi nate s  can  be  com puted by m u lti- lateration m e thod s.  In den sely  d eployed  WS Ns,  a  sho r te st multi-ho p p a th bet wee n   any pai r  of th e sen s o r   node s m a y b e  existe d. By disch a rgi ng  one  hop  awa y  from the  st art no de, the  accum u lative   distan ce i s  likely to be in cre a sed by o ne tran sm i ssi on ran ge [16] . As suppo se d in the front all  node s  have t he  same  p r o perty, the  dist anc e b e twe e n  any  pair of  the sen s ors  ( St a r t E n d ) can  be a p p r oxim ately estim a ted by  the t r a n smi ssi on  ra nge  multiply  the corre s po nding  ho p  co unts  betwe en the m  [17]. That is also the co re co n c e p t of cla ssi c DV -Hop pro pag atio n algorith m .  But in some  bad  enviro n m ent, the d e n s ity of node s i s  very lo w  whi c h i s   not ad e quate to   con s tru c t a straight and  shorte st multi-hop path b e twee n two se nso r s. In this situation it is  impossibl e fo r a n  inte rme d i ate sen s o r  to  be l o cated  cl ose  to the  b o unda ry of th e  last  one,  whi c h   make s t he e s timated di sta n ce  is far fro m  the true  va lue. It mea n s  a lot of l o cali zation  erro rs  are  introdu ce d.  In order to  o v erco me thi s  problem  ho w to   optimi z e  and  refine th e ho p le ngth  betwe en   node s be com e  critical and  determi ne s the final locali zation accu ra cy.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Rob u st Lo cali zation Algo rit h m  Based on  Best Length  Optim i zation for Wi rele ss…  (Hua  Wu )  213 2.2. Parameter De finition s  In the  real   WSNs,  sen s or  nod es are  sp rin k led  by  low flying  ai rplan e s o r  u n mann ed  grou nd  vehicles, all  of th em a r e  out  of co nt rol,  which  ma ke s  regula r ity and  topolo g y of  th e   netwo rk o r  th e affirmato r y  pattern  ha rd t o  be  go tten.  There a r e  two ki nd s of  no des in th em,  one   is calle d  a n ch or nod e with definitely  kno w n po sition coordi nate s  an d  the   othe r  i s  unkno wn nod es  whi c h nee ds to be realized. They are  sprin k le d  together at the  same time. Furthe rmo r e,  all   sen s o r  nod es are assu med  to be omni-di r ectio nal , ho mogen eou s a nd station a ry to some exte nt,  whi c h i s  to  sa y the wh ole n e twork  ca n b e  se en  as  sta t ic or re garde d as a  spe c ia l sna p shot of  a   mobile ad h o c  se nsor net work. Some p a ram e ters  used in this alg o rithm are de fined as follo ws.   12 (, , , ) N Nn n n : Total number of s e ns ors  in 3D WS Ns  with i n as  the it h node.  VL L L  : Locali z ation  spa c e i s  a cu be as the vol u me is  V with si de length L .  / N V :  Nod e  den sity  in  th e  l o cali zatio n  space whi c h subj ect s   to  3D  P o isso n  distrib u tion [1 8] result s fro m  rand om de pl oyment of sensor no de s in 3D spa c e.   0 () i Vn :  The occu pi ed spa c e   re gion with  i n  n ode  as the  center and   co mmuni cation   rang e  i r  as it s radiu s  which i s  a  ran dom v a riabl e u p  to i t self.  We  can  find 3 0 () 4 / 3 ii Vn r . In this  way the sp ace regio n  of ea ch no de is a  sph e re a nd a n y node in it will be seen a s  its neig hbo r.  () NC : The num ber of all se nsors  in o ne  sph e r e an d obvio u s ly  3 () 4 / 3 i NC r  and  i n is  the cente r  of the sp here.  c N : The n u mb er of  one  sensor’ s  n e ig hbor s  and  it ca n be  ea sily compute d  a s () 1 c NN C  .  (, , ) ii i i A XY Z : Ancho r   no de  i A with  (, , ) ii i X YZ  as its  coo r din a t e.  Its co ordinates are   pred efined  or from GPS b e ca use an ch ors  are  a ki n d  of node diff erent from ordinary o n e s  with   high po we r a nd ene rgy.  In the  pro p o s ed al gorith m   the nu mbe r  o f  hop  length   need ed  dealt  by Kalma n  fi lter for  each time is  set a s  50 0 to  reali z e o p tim i zation.  In the  model o n ly numbe r of a n c ho r no de s can  be cha nge d manually, na mely percent age of ancho rs . The total numbe r of se nso r s i s  fixed at  200, whi c h  ca n well re present the  real a pplication env ironm ent. No t e  that percent age of an cho r s  in the  network is mu ch  sm aller tha n  that  of u n kn own sen s or  no de s  i n   the real  WSN  environ ment.       3. Hop Leng th Analy s is a nd Optimiza tion  w i th Kal m an Filtering  3.1. Best  Ho p Length  An aly s is  Suppo se the r e is a sen s o r  node indi cat ed as  i S  with random  comm unication ra n ge  i r .  In this way all node s in the sph e re fo rme d  by node  i S  as its center a n d  rand om ra d i us  i r are the  neigh bors of  node i S , which i s  shown in Fi gure  1. So as sho w n in Fi g u re 1  on ce st arting n ode  i S   is given th e  hop le ngth to wards end  n ode  i E  is at e a c h h op i s  de noted a s   i R whi c h i s  al so  a  rand om varia b le.      i S i r i E     i r   Figure 1. Formation of hop  length   Fi gure 2. Best hop length computation                             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  211 – 2 1 8   214 As analyzed  before the  ad jace nt hop m a y not  on the straig ht line con n e c ted fro m  node   i S to  i E . A neighb or  sen s o r  no de  j n who lo cat ed ne are s t its boun dary  sh ould b e  sele cted as th e   next hop  no d e . Ju st a s   sh own  in Fi gu re 1  i R is th e p r o j ection  of  i r on l i ne  SE . In Figure 1 it is   obviou s  that   31 2 (1 , 2 , 3 ) i RR R R i  . However this  sp ec ial s e ns or  n o d e   3 n shoul d b e   negle c ted for  its oppo site d i rectio n with  SE  , which mean s for any rela y sensor no d e , only those   neigh bors whose positio n is clo s er  to the endin g  node  E  tha n  the curren t senso r  are   con s id ere d  for the next hop node. Anot her proble m  is how to cho o se bet wee n   1 n and  2 n . As   sho w n  in  Fig.1 both   1 n and  2 n are in th e  sam e  spa c e  ci rcu l ar  con e   A SB . He re  we  c a ll  sp heri c a l   spa c e  S as  1 V  an d co mpute  1 R and  2 R as  11 1 cos Rr and  22 2 co s Rr .  F i n a lly w e   s e le c t  n ode  2 n as the next h op nod e for  12 RR .  That is be ca u s e it is more clo s e to co m m unication ra nge of  node  i S .  As  an alyze d  before, pa ra meter  is criti c al be cau s e it  can   de cide   the size  of spa c e   regio n  whe r e  the be st rel a y hop n ode s lo cate. In o r de r to obtai n the rational   , we supp ose   there  is a  se nso r   nod e  ' S on  the i n terse c tion p o int of   SE and sph e re  S . In this  way the next   optimum hop  length to node  E can  reach its maximum value  i r . The  spe c ial inte rsection spa c e   regio n   2 V , which is form ed b y  sphe re  S  and  ' S , can b e  a  perfe ct estim a tion of the space ste p   regio n  for so urce n ode  S . But  1 V is bette r  than  2 V to be se en a s  the  opt imum spa c e  becau se  maximum projectio n  of se nso r  nod es i n   21 () VV on  SD is  /2 i r whic h  has lo w ac c u ra cy , whi c h   make s  /3 . In this way optimu m  spa c e ho p length can be  formed.     3.2. O v er v i e w   o f   Kalman  Filtering Alg o rithm   Although  WS Ns technol og ies  develop e d  very q u ickl y, challe nge s asso ciate d   with the  scarcity of band width and  powe r  in wireless  commu nicatio n s hav e to be addressed. Fo r the   state-e s timati on p r oble m s  discu s sed h e r e, ob se rv atio ns a bout a  co mmon  state a r e the  be st h op  length comp uted  befo r e. To  pe rform state  estima tio n , sen s o r s m a y sha r e the s e o b servatio ns  with ea ch ot her o r  to form a fusion center for  cen t ralize d  processing. In either sce n a r io,  the  comm uni cati on co st in terms of band wi dth and po we r re quired to  convey obse r vations i s  large   enou gh to m e rit attention.  Also in  som e  actual te sting  environ ment  (tempe ratu re,  pre s sure fiel d,  magneti c  fiel d, etc.), the  stat e ch ange s of se nsor  no de a r e al mo st con s e c utive ,  which fo rms a  smooth   an d contin uou s curve su rface.  The   pa rame ters in Kalm an filterin g  can b e  p e rfo r med   easily.   The Kal m an  filtering  (KF )  o ffers  an  eleg ant, efficient   and  optimal  solution to  lo calizatio n   probl em s in WSNs when  the system at  hand s  is di st ributed  and random m e a s urem ents e r rors  exist [19]. In the pa per, the  Kalman filter (KF)  b a sed approa ch wa s  sele cted  in orde r  to redu ce   the effect s  of hop  len g th  e rro rs b e twe e n  an ch ors  an d un kn own n ode s a n d  to  obtain  prope rty of  robu stne ss a gain s t existin g  errors in  di stan ce  me asurem ents. T o  explore thi s   point, co nsi d er a  vector state  () p x nR   at time   n   and   let the    kth   se n s or colle ct ob servatio ns () q k yn R . T he  basi c  line a r st ate and ob se rvation model s are:     () ( ) ( 1 ) () () ()() () kk k nn n n nn n n   xA x u yH x v                                                                              (1)    Whe r e the driving noise v e ctor  () n u  is normal Gau ssi a n  noise a nd  uncorrelate d across time  w i th covar i anc e  matr ix  () u n C   while the  norm a l ob se rvatio n noi se  () k n v  ha s  cov a ri an ce m a t r ix  () v n C   and is  un correlated a c ross time an d se nsors. With  K  vector observation s  () k n y   available, the  optimum esti mation of  () x n  ca n be derive d  usin g equ atio n 1. The rud e  colle ction  of these o b servation s  a n d  the p r o c e s s  of these  meas urements , however, inc u r relatively high   power  con s u m ption with  the pro d u c t of the numb e r  K of sensors in the net work. Th e   comp utation t i mes th at pro v ided to Kal m an filterin g can be co ntrolled  by  th e algorith m   itse lf  by  cha ngin g  parameters of the netwo rk. An d in  this  paper this  value is   s e t as  500.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Rob u st Lo cali zation Algo rit h m  Based on  Best Length  Optim i zation for Wi rele ss…  (Hua  Wu )  215 4. The Whol e Algorithm  Realization   In this pa rt whole alg o rith m whi c h  reali z e lo cali zatio n  for ea ch  un kno w n  se nso r  nod e is  depi cted. Th e best ho p length compu t ation is  given first an d  then the whole lo cali zat i on  algorith m  is d e scrib ed.     4.1. Best  Ho p Length  Co mputa t ion   As in dicate d  befo r e, all   sen s o r s a r e  deploye d  in   3D  WS Ns,  subje c ting to   Poisson  distrib u tion  wi th nod e d e n s i t y  / N V  [18]. The n ,  the p r ob abili ty of  m  sen s ors located  withi n  a  s e ns or   i n ’s spa c e re gion, na mely  3 0 () 4 / 3 ii Vn r ,   can be  expresse d a s  followi ng eq uation:        3 0 3 0 4/ 3 4/ 3 , !! i i m m i i Vn r i r Vn pm r e e mm                                          (2)    Ju st as th e  model expl ai ned a nothe r  equatio n can  be written a s    3 1 21 c o s / 3 i Vr   .  Similarly, the probability  of  m  sen s ors  can  be  lo cat ed in  a  sp h e re  sp ace  section  bet we en       (, )  of a sensor’ s   transmissio n range will be  as follows:         3 1 3 21 c o s / 3 1 [2 1 c o s / 3 ] , !! i m m r i V Vr pm e e mm                                      (3)    Expand it to  3D sp ace as  sho w n in Fig u re 2. We su ppo se varia b le  x to be the distan ce  betwe en  i S and  its next pote n t ial forwardi n g  se nsor. It is obviou s   x is a  rand om va ria b le an d the   probability of  x  being le ss th an  D  can b e  gi ven as  D can b e  obtaine d using followin g  equatio n.     33 0 2( 1 c o s ) ( ) / 3 ,, , , i N i m rD p xD p m r p m D e                                                                        (4)    And the probability density function  (P DF) c an  be computed by  differential using  the  followin g  equ ation.          33 21 c o s / 3 2 21 c o s ( 0 ) i x rD d fD p x D dD De                                (5)    As the  definiti on of  ho p le n g th  i R , the p r oj ection  on  the  line  co nne cti ng the   sou r ce an d  the destinatio n node s, we  can ea sily ge t  cos Rx . Further th e best hop le ngth  () OR can b e   comp uted a s  followin g :         00 co s i r x f DD d d D OR                                                                     (6)    Finally  on ce node den sity  is given,  we  can obtai n the  best h op len g th usi ng e q u a tion  (6) fo r ea ch u n kn own nod e s .    4.2. Realiza t i on of the Pr oposed  Algo rithm  The propo se d locali zatio n  algorithm  with best hop  length opti m ization a n d  Kalman  filtering me ch anism i s  de scribed expli c itl y  in  this part and some ba sic  symbol s a r e listed first.  i U : ID of arbitrary unkno wn n ode   i A : ID of arbitrary ancho r nod e   _ _ i Nu m N e i U : Numbe r  of sensor  i U  ’s neig hbors  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  211 – 2 1 8   216 _ _ i Se t N e i U : Set of s ens or  i U  ’s neigh bo rs  c H : Hop co unts  to arbitra r y anch o r no de   L H : Hop length t o  arbitrary an cho r  nod e   First ea ch u n k no wn  sen s o r  node  i U  initializes itself by setting its own  _ _0 i Nu m N ei U and _ _{ 0 } i Se t N e i U . And then they monit o r info rmatio n  pa ckage s f r om a n y an chor n ode s to  con s tru c t the  con n e c tivity  of the netwo rk. Equation  (6) is  used fo r ea ch u n kno w n to  comp u t e   best  hop l eng th. Then  ea ch an ch or  nod e  i A  floods i n fo rmation  pa cket over th e  whole n e two r k,  whi c h in clud e s  ID of a n cho r  nod e i A , hop counts  c H  to co rresp ondi ng an cho r  no de  i A an d hop   length  L H  to co rre sp on ding a n chor node i A . As indicated  _ _0 i Nu m N e i U and _ _{ 0 } i Se t N e i U . Once u n kno w n  nod e receives  any a n cho r ’s pa cket s it  che c ks if  it is fro m  a  new  an cho r .  If so, re co rds the ID  and  ren e ws  c H  and  L H  by  usin g  1 cc HH    and () LL H HO R  . Otherwise     1 cc HH  and  c H  are  co mpared. If the forme r  i s  smaller,  ren e w   c H  or di sca r d th e pa cket. After all  of abov e is fini she d ,  unkno wn n o d e  re bro a d c a s ts the p a cket.  The wh ole proce s s end s whe n  ancho r node re ceiv es  pa cket fro m  all other a n ch ors. For e a ch  time 500 co mputed b e st  hop len g th to anch o r n ode s for ea ch n o de are sto r ed  and dealt u s ing  Kalman  filter model  to pe rfect  the coll ected  dist a n ce  data to a n ch or n ode s. Th e mo st a c curate   distan ce e s ti mation can  be de rived b y  refining  th ose di stan ce  estimation s.  Finally all the  coo r din a tes  of all unkn o w n no de s ca n be de rived  by other m e ch ani sms,  such a s  tri - an gle  method an d multi-lateratio n  algorith m .      5. Simulation Validation  The  simulatio n  is  mad e  in  the MATLAB  (R2 008 a)  sof t ware  an d  so me a s sumpti ons we   made a r e list ed first in the  followin g .  a)  The whol e sensor network  i s   ma de u p   of  total 2 0 0  no de s an d  the 3 D   sen s ing  area i s   3 100 100 100 m  .   b)  The pe rcenta ge of an ch ors can  be  chan ged ma nually   and comm un ication ran ge is  a  rand om   variable.   c)  The ob se rvation frequ en cy of  Kalman filtering i s  set a s  500.   The p e rfo r ma nce i ndexe s   are l o calizatio n er ro r, ro ot mean  sq uare  error  (RMSE) and th e   locali zation ti me com pared  with cla ssi c  DV-Hop a nd  Centroid met hod s.              Figure 3. Erro r com pari s o n s   Figure 4. RM SE  compa r isons  Figure 5. Time comp ari s o n s                    In the figure  above lo cali zation erro rs  o f  DV -Hop, Ce ntroid a nd p r opo sed m e th od in thi s   pape r are given. The pe rcentage of  an cho r s i s  chan ged from 1 0 %  to 80%. O f  cause too h i gh   percenta ge i s  un reali s tic i n  actu al WS N envir onm e n t. Here  we  just explo r e t he pe rform a n c e   deeply in  the  simul a tion p r ocess. T he  error  of DV-Hop  stays at  a hig h  level  no matte r h o w  anchor no de s are  ch ang ed . Centroid i s   much  better than  DV-Hop.  The a c cu ra cy of Cent roid  is  alway s  high e r  in any situat ion. The Cent roid i s   almo st  100% better  at the most. Also Centroi d  is   more  stable t han DV -Hop.  There is n o  fluctuatio n  of Centroid  whi c h is mu ch diff erent from DV- Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Rob u st Lo cali zation Algo rit h m  Based on  Best Length  Optim i zation for Wi rele ss…  (Hua  Wu )  217 Hop. Its lo cal i zation e r ror  cha nge s bet wee n  17.5m  and 22.5 m , whi c h is m u ch better tha n  DV- Hop.   Ho wever  wh en pe rcentag e of an cho r s is lo wer tha n  10%, the  error of  our  prop ose d   method i s  the  large s t. That  is becau se t oo few an ch o r s  can not hel p unkno wn n ode s to com p ute   best h op le n g th and i n tro duces l o ts of  accum u late d erro rs. But  as the  num ber  of an cho r s  increa se, its  accuracy i s  g e tting highe r  and hig h e r . Just when the  value is 2 0 % it become s  the  best of the three an d it is stable  comp a r ed with  the  others. And its er ro r goe s  on bein g  sma ller  and smalle r. The smalle st error of  the  p r opo se d  on e  is le ss than  1 0 m, whi c h i s   only 5% of th e   side l ength. T he be st value  of the pro p o s ed m e thod i s  69.7% a nd  34.8% better  comp ared  with   DV-Hop a nd  Centroid.   Figure 4 gives the root me an squ a re error (R MSE)  compa r ison s of the three. DV-Ho p   pre s ent s an upward tre n d  and Centroi d  keep s st a b l e. The RMSE of Centroi d  keep s aro und  4.5m and th ere a r e alm o st no big flu c tuation s  a s   percenta ge o f  ancho rs ch ange s. DV-Hop  fluctuate fiercely and the la rge s t value can re ach 8m,  which mea n s  the environ ment makes  big  effects o n  DV-Ho p  and  sometime s ca nnot localize  itself. Our p r opo sed i s  def initely the be st. It  gives a do wn ward tren d an d better locali zation p e rfo r mance. The b e st is le ss tha n  2m.  Figure 4 an d  Figure  5 bo th depict s a c curacy  p r obl ems of the t h ree. In all p r opo se d  method  outp e rform s   both  the othe r two .  It not only  h a s th e le ast l o cali zatio n  e r ror but  also h a s  the be st RM SE. There i s   anothe r imp o r tant ind e x  n eed to  be a n a lyzed, n a me ly efficiency.  Here  we compute t he localization time that the three ne ed ed, as sho w n  in Figure 5.   It is easy to  unde rsta nd  whe n  fewe r  node s ne ed  to be localized le ss time  will be   need ed. As  shown in Fi gu re 5 the th re e  all give  do wn ward  tre nd as  unkno wn no des get small e r.  DV-Hop  and   Centroid  are   so  simpl e  tha t  they nee d n o  compli cate d computatio n which ma kes  them n eed  le ss lo cali zatio n  time.  DV-Hop n eed s l e a s t time  no  m a tter h o w ma ny nod es ne e d  to   be localized. It is decide d   by the algorit hm itse lf. Th ere i s  no mu ch comp utation and ju st o ne  comp utation  pro c e ss  whi c h save a lot o f  time. C entro id is wo rse than DV-Ho p , beca u se it has to   comp ute the   cente r  of  so me an ch ors  many time s.  So it co nsum es m o re time  than  DV-Ho p .  These two  al gorithm s a r e  both fast lo calizatio n al go rithms fo r the i r sim p licitie s.  And they ne ed  less time than most of oth e r propo se d algorith m s n o w .  But to some   extent our  propo sed  one i s  the m o st  co mplex of the t h ree  so it nee ds m o re   comp utation t i me with  high est a c curacy.  It not onl y h a s lo cali zatio n  process b u t  also the r e i s  a  hop l ength  o p timization  st ep a nd filte r i ng p r o c e ss,   whi c h i s   una voidable  for time  con s um p t ion.  But com pare d  with  the  oth e r two the  tim e  cost i s  i n  a n  a c cepted  ra nge. Th e  wo rst is ab out 1 0 . 5   se con d s  which is not a large value. But it r ealize 90 % of all sensor’ localizatio n deman d an d  accuracy i s  much  better than the othe r two. So it  is valuable to o b tain mu ch hi gher  accu ra cy but  give up som e  time perform ances in the  ac tual u s e, which i s  very meanin g ful.      6. Conclusio n   Preci s e  lo cati ng target i s   a preconditio n  for  th e p r a c tice  of  wirel e ss  sen s o r  n e twork,   whi c h i s   conn ected to  the  quality of net work  data  col l ection, d a ta  query, d a ta st orag e, an d ot her  appli c ation s .  The  ran g e - fre e  ho p le ngth  optimizatio n l o cali zatio n  al gorithm  for 3 D -WSNs l o ca lize   the sen s ors  with the  hel p  of an cho r s. I n  this  pa per we pro p o s e a   rob u st   ra nge -free   lo cali zat i on  algorith m  by  reali z ing  be st hop le ngth  optimizatio n, whi c h i s  hig h  efficient an d  accuracy. T h is  algorith m  i s   derived  from  cla s sic two - dimen s io n a l  DV-Hop  met hod  but the   critical h op l ength  betwe en any  relay node s is accu rat e ly com pute d  and refine d with all sensors depl o y ed  rand omly an d  arbit r ary  net work  co nne cti v ity. In  case   of network p a ramete rs ho p  length  betwe e n   node s ca n b e  derived wit hout com p licated com put ation and further optimize d  using Kal m an  filtering in which gu arant ees  robu stne ss eve n  in complicated e n vironm ent with random n ode  comm uni cati on ran ge. T he re sults of  the simula ti on experi m e n t indicate t hat the algorithm  prop osed in the pape r is b e tter than the  traditional  m e thod in term s of the locali zation e rro r a n d   energy efficie n cy.      Ackn o w l e dg ements   Authors wi sh  to thank th e project  su pporte d by t he Research  Fund  of Sh ando ng  Jiaoto ng Univ ersity (No. Z2 0130 6, Z201 419, Z201 52 8), Scien c e a nd Technol og y Plan Project o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  211 – 2 1 8   218 Shando ng P r ovince  (2 014 GGX10 1015 ) and  Natu ral  Scien c e F o u ndation  of Sh ando ng Province   (ZR201 4FL0 06).       Referen ces   [1]  JY Z heng, YE  Hua ng, Y Sun,  et al. Error an al ysis  of ra nge -base d  loc a lis a t ion al gor ithms  in  w i re less   sensor n e t w ork s .  Int.  J. Sens.  Netw . 2012; 12 (2): 78-88.   [2]  Stankovic JA. W hen sens or a nd actuat or net w o rks cover th e  w o rl d.  ET RI Journ a l . 20 08; 30: 627- 63 3.  [3]  I Amundson, J  Sallai,  X Kou t soukos, A Le deczi. M obi le sensor  w a yp o i nt  navig ation v i a RF -base d   ang le ofarriv a l l o caliz atio n.  Int. J. Distrib. Sens. Netw . 2012; (201 2): 1-15.   [4]  L Ch en g, CD   W u , YZ  Z hang , Y W ang.  In d oor ro bot  loca li z a ti on  bas ed  o n  w i reless  se n s or netw o rks.   IEEE  T r ans. Consum. Electro n . 57. 201 1: 10 99-1 104.   [5]  V W i nd ha M a h y astut y ,  A A d ya Pr amud ita .  Lo w   Ener g y  Ada p tive  Clu stering  Hi erar ch y R outin g   Protocol for W i reless Se nsor  Net w ork.  TELK OMNIKA.  2014 ; 12(4): 963-9 6 8 .  [6]  A Bari, S  W a zed, A J aek el,  S Ba nd yo p a d h y a y . A  ge net ic a l gor ithm  b a sed  a ppro a c h  for  en erg y   efficient routi n g  in t w o-ti ere d  sensor n e t w orks .  Ad Hoc Networks.  2011; 7( 4 ) : 665-67 6.  [7] Khal id  Hase eb ,  Kamalr uln i za m Ab u Ba ka r, Ab du l   H a na n Ab du l l a h ,  Adn a n  Ah med .    Gri d  Ba sed  Cluster H e a d  Selecti on Mec han ism for W i reless Se nsor  Net w ork.  TELKOMNIKA.  2015; 13( 1): 269 - 276.   [8]  L Li u. Ad aptiv e So urce  Loc ation  Estimati on B a sed  o n   Compress ed   Sensi ng  in W i reless S ens or   Net w orks.  Inter natio nal J ourn a l of Distrib ute d  Sensor N e tw orks.  2012; 3 1 : 123-1 28.   [9]  W  Chui, B Ch e n , C Yang. R o bust relativ e  l o cation  es timati on in  w i re less  sensor n e t w ork s   w i t h  in e x act  positi on pro b l e ms.  IEEE  Transactions on Mobile Com p uting . 2012; 11( 6): 935-9 46.   [10]  S Sara ngi, S   Kar. Mobi lit y  a w a r e  r outi ng  with p a rtial  route  preserv a ti on in  w i r e less  sensor net w o rks.  Ubiq uito us Co mp utin g an d C o mmunic a tio n  Journ a l.  20 11; 6(2): 848- 85 6.  [11]  D Ampe liotis,  K Berber idis.  L o w  com p le xit y   mult ipl e  ac oust i c sourc e  l o cal i z ation  in s ens or net w o rks  base d  on e ner g y  me asur eme n ts.  Signal Pro c essin g .  201 0; 90(4): 13 00- 13 12.   [12] Kashif Nas eer  Qureshi, Abd u l  Hana n Abd u ll ah,  Raj a  W a se em An w a r. W i reless Se nsor  Based H y b r i d   Architecture for Vehicu lar Ad hoc Net w orks.  TELKOMNIKA.  201 4; 12(4): 94 2-94 9.  [13]  Sheu JP, Ch e n  PC, Hsu C S . A distribute d  loca lizati on  scheme for  w i reless se nsor  net w o rks  w i t h   improve d  gri d - scan an d vect or-bas ed refin e m ent.  IEEE Tr ansactions on Mobile Comput ing . 20 08; 7:  111 0-11 23.   [14]  D Nicul escu,  B Nath.  Ad-ho c  positio ni ng s ystem.  In Pro c eed ing  of IEEE Global  Co mmunicati ons   Confer ence (G LOBECO M). 2001: 29 26- 293 1.  [15]  Ou CH, Ssu  KF . Sensor p o sitio n  d e termi natio n  w i t h  fl yi ng a n ch ors i n  three-d i me nsi ona l  w i r e l e ss   sensor n e t w ork s .  IEEE  Transactions on Mobile Com p uting.  2 008; 7: 10 84-1 097.   [16]  Yun W ang, Xi aod on g W ang,  Demin W ang , Dha rma P Agra w a l. Ran ge-F r ee L o cal i z ation Usi n g   Exp e cted H op  Progress i n  W i reless Se nsor  Net w orks.  IEEE Transactions  on Para llel and Distribut ed  System s.  20 09 ; 20(10).   [17]  R Na gp al. Or gan izin g a  Gl oba l C oord i n a t e S y st em fro m  Loca l  Infor m ation  on  an  Amorph ous   Computer. A.I.  Memo1666, MI T A.I. Laborator y .  1999.   [18]  Y W ang, X  W ang, B  Xi e, D W ang, DP Agra w a l. Intrus io n Dete ction in H o m oge no us and   Hetero gen eo u s  W i reless Sen s or Net w orks.  IEEE Trans. Mobile Com p uting . 2008; 7(6).   [19]  GF Welch, G B i shop. An  introduction to the kalman  fi lter. Un iversit y  of Nort h Car o li na. Ch ape l Hi ll, N C ,   USA,  T e ch. Rep. 1995.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.