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《南京理工大学》 2008年
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无线传感器网络的节点定位与覆盖技术研究

嵇玮玮  
【摘要】: 无线传感器网络是随着微机电技术、传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络、无线通信技术以及分布式信息处理技术等的发展建立起来的分布式信息感知与处理系统,在军事、医疗、商业以及环境保护等领域具有广泛的应用前景。 无线传感器网络是由具有感知、计算和通信能力的无线传感器节点组成。在其各种各样的应用研究中,节点定位与网络覆盖是无线传感器网络应用的两个主要支撑技术。节点定位是实现无线传感器网络众多应用的前提,其定位精度是无线传感器网络的关键性能指标之一;而网络覆盖则决定了无线传感器网络所能提供的服务范围,也在很大程度上影响了网络的成本和各种具体应用的性能,是网络设计时必须要考虑的首要问题。 本文主要针对无线传感器网络中的节点定位与网络覆盖技术进行深入的研究与探讨。在节点定位技术方面,分别研究了基于距离的定位算法,距离无关的定位算法以及递增式定位算法;在网络覆盖技术方面,分别对静态网络覆盖与动态网络覆盖进行了研究。 本文的主要工作可以归纳如下: 1.基于距离的定位算法与距离无关的定位算法研究 1)研究了基于距离的定位算法,提出基于UWB的TOA测距方法。UWB信号具有信号带宽大、测距精度高的特点,但在节点定位应用中,UWB直达信号难以精确检测。本文提出通过对首次到达信号时间和最强信号时间进行加权来得到直达信号到达时间,并采用模糊逻辑技术计算加权系数。实测数据仿真试验表明,基于UWB的定位技术可极大地提高定位精度。 2)研究了距离无关的定位算法,并对其中的典型DV-Hop算法提出了改进。DV-Hop算法本身是一种传统的距离无关定位算法,在各向同性的密集网络中,DV-Hop可以得到比较合理的定位精度。然而,在随机分布的网络中,节点定位误差较大。本文根据DV-Hop算法定位过程,在平均每跳距离估计、未知节点到各参考节点之间距离的计算和节点位置估计方法等3个方面进行了改进,分析和仿真了不同改进措施和综合改进的定位性能。这些改进有效的提高了传感器节点的定位精度,且无需增加网络中节点的通讯开销与硬件复杂度。 2.递增式定位算法研究 1)在对递增式定位算法进行详细分析的基础上,指出了递增式定位算法存在的累积误差和无效节点问题。 2)在对累积误差特点进行分析的基础上,提出将未知节点与其参考节点中定位精度较高的节点间的距离作为约束条件来减少定位过程中的累积误差。仿真结果表明,本文方法能够显著减小传感器节点定位过程中的传播误差,提高节点定位精度,改善了方法的适用性。 3)分析了无效节点的存在特征并对其进行分类,提出利用运动目标的位置信息以及无效节点与已知节点的连接信息对无效节点进行定位,显著提高了无线传感器网络对目标的跟踪性能。 3.网络覆盖技术研究 1)研究了静态网络覆盖,提出了新的网络静态覆盖与动态覆盖方式。在业已开展的网络静态覆盖研究中,网络1-覆盖得到深入研究。本文针对网络静态覆盖中的确定性覆盖和随机性覆盖,分别提出了新的传感器节点部署策略和调整传感器节点感知半径的方式,实现了无线传感器网络的k(≥3)-覆盖。针对网络动态覆盖,提出了能量有效的本地节点选择方案,节点根据相邻时刻接收到的目标信号能量变化独立决定其工作状态。理论分析和计算机仿真表明该方案可大大减少与相邻节点及中心节点的信息交换,减少网络的能量消耗。 2)研究了动态网络覆盖,提出一种最佳节点分布几何结构,提高了网络对目标位置的估计性能。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TP212.9;TN929.5

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