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《华中科技大学》 2006年
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无线传感器网络分布式节点定位方法研究

刘克中  
【摘要】: 近年来,微机电系统、无线通信和数字电子技术的进步促进了具有低功耗、低代价与多功能特点的微型传感器制造技术的发展。大量具有传感单元、数据处理单元和通信单元的传感器节点引发了无线传感器网络的概念,即将大量的传感器密集地散布在感知区域,传感器间以自组织的方式构成无线通信网络,有效实现远程信息的采集、处理和传输。无线传感器网络在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、建筑和结构监测及反恐抗灾等领域具有广泛的应用前景。 无线传感器网络及其相关领域的研究引起了人们广泛的关注,主要包括各种网络协议、时间同步、协同信息处理、网络拓扑控制等。在众多相关研究领域中,传感器节点的位置信息作为网络无缝协调的基础成为了必需解决的关键问题之一。对无线传感器网络而言,设计一个可行的节点定位方案面临诸多挑战,主要表现为复杂的物理环境和有限的网络资源。 本文旨在探讨符合无线传感器网络特点和要求的分布式节点定位方法,主要工作概括如下: 本文探讨了大规模、自组织无线传感器网络实现节点定位的主要挑战。阐述了本文的选题背景及意义,综述了无线传感器网络的节点定位算法的研究进展。此外,论文简要介绍了无线传感器网络其他领域的主要研究现状。 针对典型的DV-Hop定位算法,详细分析了该算法特性,利用Cramer-Rao边界定理对定位误差特性从理论上进行了分析和探讨,然后从理论和实验两方面分析了算法中使用的跳距估计误差。在此基础上,本文提出了一种改进方法,其基本思想是根据导标节点和未知节点间的相互位置关系有选择性地利用导标节点,主要创新在于导标节点共线度概念的引入。在算法的实现中,提出了自适应共线度阈值确定方法。通过仿真实验对定位性能比较,改进算法较传统算法在平均误差和误差方差方面分别降低10~45%和35~50%。 针对无线传感器网络拓扑结构特点及经典无须测距定位方法的局限性,提出了分布式的多跳导标节点定位方法(Multi-Hop Beacon Based Localization,简称MHB定位方法)。该方法的主要创新在于应用距离矢量路由法获得邻近导标节点的同时,充分利用了三角形内点的特性及相关几何性质,在选择参与定位的导标节点集时考虑了导标节点共线度及未知节点与导标三角形的几何位置关系,并在此基础上提出了不依赖于复杂优化计算的扩展质心位置估算策略。MHB算法具有很好的自适应性、分布性和可扩展性,特别是在计算复杂度及定位精度鲁棒性等方面表现出了很好的性能。当网络密度从4到14变化过程中,该算法最大定位误差和定位误差方差分别为DV-Hop的1/6~1/2和1/3~1/2。 本文也探讨了高精度的节点定位方法,该方法的探讨是基于测距技术而展开的,刚性图理论为本方法提供了理论支撑。受随机图论中刚性图理论的启发,本文提出了基于定位协作体的节点定位方法,该方法主要思想是根据网络局部拓扑自适应形成可实现节点位置估计的定位协作体,然后通过优化计算实现未知节点的位置估计。这种基于协作模式的定位策略的主要优点在于充分利用了多跳导标节点的位置信息,同时还可有效避免了定位误差在网络中恶性传播和积累。论文重点描述了基于协作模式的节点定位方法的基本原理及定位协作体的生成算法。仿真结果表明,提出的定位策略具有较好的自适应性、鲁棒形和可靠性,当测距误差方差从0.025~0.30倍通信视距时,定位误差为0.02~0.36倍通信视距,该定位精度能满足多数场合下无线传感器网络对节点位置信息的精度要求。 在上述定位方法的研究基础上,本文分析了定位服务质量的相关问题,提出了区分定位服务策略,即在实际的应用中可以根据定位需求和定位场景提供不同服务质量的定位支持。这种策略的提出可以使定位算法在满足系统定位精度的前提下大大降低系统能耗,这为无线传感器网络定位问题提供了新的解决思路。 论文最后总结了所作的工作,并就进一步的研究方向进行了简单探讨。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP212.9;TN929.5

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
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3 杨彦卿;无线分布式存储测试系统的设计[D];中北大学;2011年
4 秦涛;基于WSN的煤矿井下目标跟踪定位技术研究[D];沈阳航空航天大学;2011年
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6 崔允贺;基于扩展剩余定理的WSAN节点测距定位技术研究[D];西南交通大学;2012年
7 刘晓爽;无线传感器网络节点安全定位研究[D];河北师范大学;2012年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前5条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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5 刘仁甫;田世伟;李广侠;张更新;;Iridium/GPS导航增强系统及性能仿真[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
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7 李隽;王振华;;基于微波暗室多天线发射测试环境的DOP值计算方法[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
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9 庞春雷;赵修斌;卢艳娥;余永林;;基线约束条件下GPS整周模糊度快速解箅新方法[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
10 王勇;石磊玉;唐小妹;雍少为;;基于虚拟伪距差分的“北斗一代”无源定位研究[A];第二届中国卫星导航学术年会电子文集[C];2011年
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1 丁继成;弱信号条件下GPS接收机关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 宋洪涛;GPS接收机抗干扰技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
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6 郭瑛;基于事件触发的无线传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年
7 周鹏;水下传感器网络海上试验平台的研究与设计[D];中国海洋大学;2010年
8 张书奎;无线传感器网络中信息分发的可靠性研究[D];苏州大学;2010年
9 张宇;个性化移动内容服务的模型和支持技术研究[D];华中科技大学;2010年
10 刘昕;基于无线传感器网络的目标跟踪系统中的算法研究[D];华中科技大学;2010年
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1 年军艳;普适计算下的上下文感知计算若干关键技术研究[D];安徽工程大学;2010年
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3 漆阳华;远程监测应用技术研究[D];中国工程物理研究院;2009年
4 张博;高动态卫星定位接收机扩频信号同步技术研究[D];中国工程物理研究院;2009年
5 肖美华;无线传感器网络节点定位关键技术研究[D];南昌航空大学;2010年
6 纪江涛;基于传感器网络的智能交通系统模型应用研究[D];山东科技大学;2010年
7 朱小锴;面向结构健康监测的无线传感器网络的研究与设计[D];浙江理工大学;2010年
8 杨伟伟;基于LEACH的WSN分簇路由协议研究[D];郑州大学;2010年
9 朱玉芳;无线传感器网络中基于能量的发散簇树算法研究[D];郑州大学;2010年
10 李本玉;GPS/GLONASS精密单点定位技术模型与算法的研究[D];山东农业大学;2010年
【同被引文献】
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1 张付杰;彭争;齐亚峰;;无线传感器网络研究进展[J];现代农业科技;2010年01期
2 吕科;张军;王钢;马琳;;基于序列Monte Carlo技术的动态节点定位[J];北京航空航天大学学报;2007年08期
3 张军国;李文彬;韩宁;阚江明;;基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究[J];北京林业大学学报;2007年04期
4 李光辉;赵军;王智;;基于无线传感器网络的森林火灾监测预警系统[J];传感技术学报;2006年06期
5 邹冈;石章松;刘忠;;传感器网络中的分布式粒子滤波被动跟踪算法比较研究[J];传感技术学报;2007年06期
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7 薛锋;刘忠;曲毅;;基于Unscented粒子滤波的无序观测下水下无线传感器网络目标被动跟踪[J];传感技术学报;2007年12期
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10 董齐芬;冯远静;俞立;;基于移动信标节点的无线传感器网络定位算法研究[J];传感技术学报;2008年05期
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1 牛延超;无线传感器网络非测距定位技术研究[D];北京交通大学;2010年
2 刘影;无线传感器网络节点定位算法研究[D];吉林大学;2011年
3 徐学永;面向应用的无线传感网络定位问题研究[D];中国科学技术大学;2011年
4 沈艳;分布式测试系统协作理论及其通信平台实时性研究[D];电子科技大学;2004年
5 林瑞仲;面向目标跟踪的无线传感器网络研究[D];浙江大学;2005年
6 孙国林;无线移动网络辅助定位算法研究[D];电子科技大学;2005年
7 余义斌;传感器网络定位算法及相关技术研究[D];重庆大学;2006年
8 汪炀;无线传感器网络定位技术研究[D];中国科学技术大学;2007年
9 王晟;无线传感网络节点定位与覆盖控制理论及技术研究[D];武汉理工大学;2006年
10 申兴发;基于无线传感器网络的分布式定位跟踪系统[D];浙江大学;2007年
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1 段玉杰;IR-UWB无线传感器网络中基于TOA的定位算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘广怡;基于RSSI的传感器网络定位技术研究与实现[D];解放军信息工程大学;2009年
3 李辉;基于RSSI的高精度室内三维空间定位算法[D];河南大学;2011年
4 肖勇;基于最小二乘和支持向量机的WSN节点定位方法研究[D];江西理工大学;2011年
5 杨犀;基于AOA和TDOA的无线传感器网络三维定位算法的优化[D];山东大学;2011年
6 陈凯;基于RSSI的无线传感器网络定位方法研究[D];上海交通大学;2011年
7 许春明;GPS动态载波相位测量定位技术研究[D];哈尔滨工程大学;2002年
8 王雄;基于网络的分布式测试系统开放式架构研究与实现[D];西北工业大学;2003年
9 王平;分布式网络化测试系统及实现[D];电子科技大学;2004年
10 谢楠;振动场动态信号分析与处理系统[D];浙江大学;2005年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 王静霞;唐建东;;无线传感器网络中平均跳距修正的DV-Hop定位算法[J];数字技术与应用;2012年04期
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1 朱巧妃;用于仓储定位的Zigbee技术与设计[D];南京理工大学;2012年
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3 杨晓东;面向二元无线传感器网络的目标跟踪算法研究[D];昆明理工大学;2012年
4 姚先连;分布式卡尔曼预测滤波跟踪算法研究[D];长春理工大学;2012年
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【二级参考文献】
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1 徐光祐 ,史元春 ,谢伟凯;普适计算[J];计算机学报;2003年09期
2 刘瑞华,刘建业,姜长生;利用人工神经网络仿真GPS误差信号[J];南京航空航天大学学报;2001年02期
3 刘俊,张思东,张宏科;GPS系统建模与仿真技术研究[J];系统仿真学报;2001年03期
4 曾鹏,于海斌,梁英,尚志军,王忠锋;分布式无线传感器网络体系结构及应用支撑技术研究[J];信息与控制;2004年03期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 文援兰;航天器精密轨道抗差估计理论与应用的研究[D];解放军信息工程大学;2001年
2 韩保民;基于星载GPS的低轨卫星几何法定轨理论研究[D];中国科学院研究生院(测量与地球物理研究所);2003年
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4 周开宇;薛尤贵;解冲锋;;无线传感器网络的发展与路由需求[J];电信网技术;2007年07期
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8 毕俊蕾;闵林;;无线传感器网络路由协议研究[J];郑州轻工业学院学报(自然科学版);2007年06期
9 杨海粟;吴长奇;刘立芳;;基于nRF905的无线传感器网络节点的设计与实现[J];微型机与应用;2010年15期
10 田文果,李立宏,向继东;传感器网络与自组织网络应用潜力分析[J];中兴通讯技术;2005年04期
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6 马永波;无线传感器网络精确动态定位及其安全性问题研究[D];吉林大学;2010年
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9 李哲涛;多媒体无线传感器网络中若干算法研究[D];湖南大学;2010年
10 梁泉泉;无线传感器网络中的节点调度研究[D];山东大学;2010年
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1 杨世杰;无线传感器网络节点定位算法研究[D];浙江工业大学;2010年
2 李少娟;基于SDR的自组织网络的研究[D];西安科技大学;2008年
3 杨帆;无线传感器网络目标分布式检测算法研究[D];河南大学;2012年
4 李学文;无线传感器网络数据存储策略研究[D];太原科技大学;2010年
5 邹林刚;面向智能服装的无线传感器网络分布式计算模型研究[D];东华大学;2009年
6 王文光;基于无线传感器网络的新型火灾探测节点研究[D];合肥工业大学;2010年
7 王晶;基于动态簇机制的无线传感器网络目标跟踪方法研究[D];山东大学;2011年
8 王静玉;基于增强学习的无线传感器网络自组织方法研究[D];南京邮电大学;2011年
9 冯得明;基于无线传感器网络的桥梁健康监测系统研究[D];长沙理工大学;2012年
10 尹沧涛;利用残余节点的无线传感器网络路由算法研究[D];延边大学;2010年
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