無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式節(jié)點(diǎn)定位方法研究.pdf

1、近年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)、無(wú)線通信和數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了具有低功耗、低代價(jià)與多功能特點(diǎn)的微型傳感器制造技術(shù)的發(fā)展。大量具有傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的傳感器節(jié)點(diǎn)引發(fā)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的采集、處理和傳輸。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其

2、相關(guān)領(lǐng)域的研究引起了人們廣泛的關(guān)注，主要包括各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時(shí)間同步、協(xié)同信息處理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频?。在眾多相關(guān)研究領(lǐng)域中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息作為網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)成為了必需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，設(shè)計(jì)一個(gè)可行的節(jié)點(diǎn)定位方案面臨諸多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為復(fù)雜的物理環(huán)境和有限的網(wǎng)絡(luò)資源。 本文旨在探討符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和要求的分布式節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)節(jié)

3、點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位算法的研究進(jìn)展。此外，論文簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)其他領(lǐng)域的主要研究現(xiàn)狀。 針對(duì)典型的DV-Hop定位算法，詳細(xì)分析了該算法特性，利用Cramer-Rao邊界定理對(duì)定位誤差特性從理論上進(jìn)行了分析和探討，然后從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析了算法中使用的跳距估計(jì)誤差。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種改進(jìn)方法，其基本思想是根據(jù)導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)間的相互位置關(guān)系有選擇性地利用

4、導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)，主要?jiǎng)?chuàng)新在于導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)共線度概念的引入。在算法的實(shí)現(xiàn)中，提出了自適應(yīng)共線度閾值確定方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)定位性能比較，改進(jìn)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(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及經(jīng)典無(wú)須測(cè)距定位方法的局限性，提出了分布式的多跳導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位方法（Multi-Hop Beacon Based Localization，簡(jiǎn)稱MHB定位方法）。該方法的主要?jiǎng)?chuàng)新在于應(yīng)用距離矢量路由

5、法獲得鄰近導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，充分利用了三角形內(nèi)點(diǎn)的特性及相關(guān)幾何性質(zhì)，在選擇參與定位的導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)集時(shí)考慮了導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)共線度及未知節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)標(biāo)三角形的幾何位置關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了不依賴于復(fù)雜優(yōu)化計(jì)算的擴(kuò)展質(zhì)心位置估算策略。MHB算法具有很好的自適應(yīng)性、分布性和可擴(kuò)展性，特別是在計(jì)算復(fù)雜度及定位精度魯棒性等方面表現(xiàn)出了很好的性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度從4到14變化過(guò)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(diǎn)定位方法，該方法的探討是基于測(cè)距技術(shù)而展開(kāi)的，剛性圖理論為本方法提供了理論支撐。受隨機(jī)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(diǎn)定位方法，該方法主要思想是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部拓?fù)渥赃m應(yīng)形成可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置估計(jì)的定位協(xié)作體，然后通過(guò)優(yōu)化計(jì)算實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。這種基于協(xié)作模式的定位策略的主要優(yōu)點(diǎn)在于充分利用了多跳導(dǎo)標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，同時(shí)還可有效避免了定位誤差在網(wǎng)絡(luò)中惡性傳播和積累。論文重點(diǎn)描述了基于

7、協(xié)作模式的節(jié)點(diǎn)定位方法的基本原理及定位協(xié)作體的生成算法。仿真結(jié)果表明，提出的定位策略具有較好的自適應(yīng)性、魯棒形和可靠性，當(dāng)測(cè)距誤差方差從0.025~0.30倍通信視距時(shí)，定位誤差為0.02~0.36倍通信視距，該定位精度能滿足多數(shù)場(chǎng)合下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)位置信息的精度要求。 在上述定位方法的研究基礎(chǔ)上，本文分析了定位服務(wù)質(zhì)量的相關(guān)問(wèn)題，提出了區(qū)分定位服務(wù)策略，即在實(shí)際的應(yīng)用中可以根據(jù)定位需求和定位場(chǎng)景提供不同服務(wù)質(zhì)量的定位支持