無線傳感器網絡分布式節(jié)點定位方法研究.pdf

1、近年來，微機電系統(tǒng)、無線通信和數字電子技術的進步促進了具有低功耗、低代價與多功能特點的微型傳感器制造技術的發(fā)展。大量具有傳感單元、數據處理單元和通信單元的傳感器節(jié)點引發(fā)了無線傳感器網絡的概念，即將大量的傳感器密集地散布在感知區(qū)域，傳感器間以自組織的方式構成無線通信網絡，有效實現遠程信息的采集、處理和傳輸。無線傳感器網絡在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑和結構監(jiān)測及反恐抗災等領域具有廣泛的應用前景。 無線傳感器網絡及其

2、相關領域的研究引起了人們廣泛的關注，主要包括各種網絡協(xié)議、時間同步、協(xié)同信息處理、網絡拓撲控制等。在眾多相關研究領域中，傳感器節(jié)點的位置信息作為網絡無縫協(xié)調的基礎成為了必需解決的關鍵問題之一。對無線傳感器網絡而言，設計一個可行的節(jié)點定位方案面臨諸多挑戰(zhàn)，主要表現為復雜的物理環(huán)境和有限的網絡資源。 本文旨在探討符合無線傳感器網絡特點和要求的分布式節(jié)點定位方法，主要工作概括如下： 本文探討了大規(guī)模、自組織無線傳感器網絡實現節(jié)

3、點定位的主要挑戰(zhàn)。闡述了本文的選題背景及意義，綜述了無線傳感器網絡的節(jié)點定位算法的研究進展。此外，論文簡要介紹了無線傳感器網絡其他領域的主要研究現狀。 針對典型的DV-Hop定位算法，詳細分析了該算法特性，利用Cramer-Rao邊界定理對定位誤差特性從理論上進行了分析和探討，然后從理論和實驗兩方面分析了算法中使用的跳距估計誤差。在此基礎上，本文提出了一種改進方法，其基本思想是根據導標節(jié)點和未知節(jié)點間的相互位置關系有選擇性地利用

4、導標節(jié)點，主要創(chuàng)新在于導標節(jié)點共線度概念的引入。在算法的實現中，提出了自適應共線度閾值確定方法。通過仿真實驗對定位性能比較，改進算法較傳統(tǒng)算法在平均誤差和誤差方差方面分別降低10~45％和35~50％。 針對無線傳感器網絡拓撲結構特點及經典無須測距定位方法的局限性，提出了分布式的多跳導標節(jié)點定位方法（Multi-Hop Beacon Based Localization，簡稱MHB定位方法）。該方法的主要創(chuàng)新在于應用距離矢量路由

5、法獲得鄰近導標節(jié)點的同時，充分利用了三角形內點的特性及相關幾何性質，在選擇參與定位的導標節(jié)點集時考慮了導標節(jié)點共線度及未知節(jié)點與導標三角形的幾何位置關系，并在此基礎上提出了不依賴于復雜優(yōu)化計算的擴展質心位置估算策略。MHB算法具有很好的自適應性、分布性和可擴展性，特別是在計算復雜度及定位精度魯棒性等方面表現出了很好的性能。當網絡密度從4到14變化過程中，該算法最大定位誤差和定位誤差方差分別為DV-Hop的1/6~1/2和1/3~1/2。

6、 本文也探討了高精度的節(jié)點定位方法，該方法的探討是基于測距技術而展開的，剛性圖理論為本方法提供了理論支撐。受隨機圖論中剛性圖理論的啟發(fā)，本文提出了基于定位協(xié)作體的節(jié)點定位方法，該方法主要思想是根據網絡局部拓撲自適應形成可實現節(jié)點位置估計的定位協(xié)作體，然后通過優(yōu)化計算實現未知節(jié)點的位置估計。這種基于協(xié)作模式的定位策略的主要優(yōu)點在于充分利用了多跳導標節(jié)點的位置信息，同時還可有效避免了定位誤差在網絡中惡性傳播和積累。論文重點描述了基于

7、協(xié)作模式的節(jié)點定位方法的基本原理及定位協(xié)作體的生成算法。仿真結果表明，提出的定位策略具有較好的自適應性、魯棒形和可靠性，當測距誤差方差從0.025~0.30倍通信視距時，定位誤差為0.02~0.36倍通信視距，該定位精度能滿足多數場合下無線傳感器網絡對節(jié)點位置信息的精度要求。 在上述定位方法的研究基礎上，本文分析了定位服務質量的相關問題，提出了區(qū)分定位服務策略，即在實際的應用中可以根據定位需求和定位場景提供不同服務質量的定位支持