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无线传感器网络定位问题研究

张松涛  
【摘要】: 二十世纪末以来,随着数字电路、无线通信和微机电系统技术的发展与融合,新兴的无线传感器网络技术迅速发展。由分布在某特定应用环境的众多低成本、智能传感器节点通过无线链路、互联网连接而成的无线传感器网络在诸多方面显现了广泛的应用前景,包括环境监视、健康应用、车辆跟踪、库存管理以及军事领域等。作为一种无基础设施网络,.由于其极低能耗要求的独特性,传统的蜂窝通信系统和Ad hoc网络中比较成熟的各种通信协议并不能直接应用到无线传感器网络中来,无线传感器网络研究面临着新的挑战。 在传感器网络应用中,各节点感知数据、传回数据并在中央处理器进行分析处理,成为各种应用的一种基本途径。但是,没有位置信息的测量数据会失去意义。测量数据的位置与感知该数据的节点位置紧密相关。并且节点位置有助于路由、拓扑控制、覆盖、边界检测等其它研究工作的展开。节点定位是无线传感器网络中一项重要的支撑工作。本文的工作就是围绕无线传感器网络定位技术展开,先按基于距离定位和距离无关定位分类方法介绍了定位技术研究现状,分析了定位技术存在的困难,然后提出了基于距离约束的改进迭代定位算法、基于改进的节点定位评价体系的迭代定位算法以及基于动态跳数距离估计的距离无关定位方法。 在基于距离定位技术方面,本文分析了基于距离的定位技术面临的主要困难,指出测量误差问题和稀疏信标节点问题是基于距离定位技术的主要难点。C. Savarese等提出的Hop-terrain迭代定位算法能够较好地克服上述基于距离定位技术面临的两个主要困难,但该算法在网络连通度比较低时定位节点比例很低。本文提出一种改进的基于距离约束迭代定位算法,能够较大地提高在低网络连通度时的定位节点比例,提高定位准确性。主要改进思路是,在迭代过程中,有选择性地用上次迭代位置作为最新迭代位置,保留较好的定位中间结果,改善了迭代过程的收敛性,提高了节点定位准确性。 在基于迭代的距离相关定位技术方面,本文先分析了节点定位评价体系对定位准确性的影响。并指出,在普通节点真实位置未知的情况下,找到一个完全正确地反映节点定位优劣的评价体系几乎是不可能的。分析了在参考节点位置或到参考节点距离估计存在一定误差的情况下,参考节点数量对节点定位的影响。实验表明,适当增加参考节点的数量可以提高节点定位准确性;但进一步增加参考节点的数量又可能会导致定位准确性的下降。本文提出了一个基于改进的节点定位评价体系的迭代定位算法。其主要思想是,在迭代过程中,参考到高可信度权值邻居节点,而不是到所有邻居节点的距离约束关系,选择可能的最好节点位置作为最新迭代定位位置,可以降低定位误差。 在距离无关定位技术方面,先介绍了相关的工作,分析了距离无关定位方法面临的困难。指出,在基于无线覆盖的区域定位方法中,‘如何缩小该区域的范围是一个难点。在基于用跳数方法估计两节点间距离的距离无关定位方法中,如何准确估计节点间距离是这类算法的难点。在有洞的各向异性网络中,这种距离估计尤其困难。本文提出一种基于动态跳数距离估计的距离无关定位方法,在有洞的各向异性网络中也能较好地工作。其主要思想是,先估算各信标节点对之间的平均单跳距离,然后选择平均单跳距离较大并且最短路径通过未知节点的信标节点对作为参考节点,估算未知节点的位置。新算法能够较好地滤除距离估算误差较大的信标节点作为参考节点。实验表明,新算法比以前的算法定位更准确。 本论文所做的研究将对无线传感器网络定位技术发展、无线传感器网络的应用与发展起到积极作用。


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