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无线传感器网络节点定位算法研究

刘影  
【摘要】:无线传感器网络由几十乃至上千的传感器节点组成,这些传感器节点多数都是采取随机撒播(飞机或者人工)的方式,部署在环境复杂的区域中,甚至有些区域是人员无法到达的。在传感器网络应用中,传感器节点感知数据、传回数据并在中央处理器进行分析处理,最终得到人们最为关心的信息。但是,网络中没有位置信息的监测数据对于研究人员没有任何意义。因此,传感器网络建立时,一般都会布置少量位置已知的节点,这些节点通称为锚节点,它们通过GPS或者其它方式进行自我定位。如果使用GPS定位,那么此节点要比普通节点的成本高很多,因此在传感器网络中每个节点不可能都具有自我定位功能。由此无线传感器网络各种定位技术应运而生,如何实现高精度定位以此来满足应用需求是无线传感器网络面临的挑战。 目前,节点定位问题已经成为无线传感器网络研究的热点问题之一。本文对无线传感器网络中基于测距的定位算法和非测距的定位算法进行了深入的研究,并总结分析了两种类型定位算法的优缺点以及影响定位精度的主要因素。其中锚节点是定位中一个极其重要的因素,任何一个定位算法都需要锚节点的功能实现定位,锚节点对定位精度的影响主要有两个方面:锚节点的数目和锚节点之间的位置关系。因此,在原有锚节点基础上衍生出一类相当于锚节点的节点以及分析锚节点之间的位置关系来提高定位精度都是定位算法的主要难点。目前多数是针对定位算法进行研究,很少研究关于验证节点位置估计误差问题,因此找到一个反映定位算法优劣的评价系统,对无线传感器网络应用起到至关重要的作用。TDOA算法是基于测距的定位技术,此算法误差最主要的来源是测量时间差,这是由硬件条件和环境因素所决定的,所以要想彻底消除测量误差是无法实现的。因此,需要从TDOA定位算法本身求解上进行优化。针对现有方法存在的问题,提出了一系列新的定位算法及具体解决方案。论文的创新性工作主要包括以下四个方面: 1.将计算几何学中Voronoi图的概念应用到无线传感器网络非测距的定位方案中,提出了一种基于Voronoi图的节点定位算法。研究如何在不增加定位成本和不使用辅助设备的同时,为定位空间增加了若干个相当于锚节点的节点信息(虚拟锚节点),由此增加了与传感器节点通信的锚节点数目,进而增加了确定自身位置的节点信息。与此同时提出了一种建立锚节点、虚拟锚节点与未知节点的序列等级方法,最终实现定位。该方案有效的避免了传统算法中为提高定位精度而增加锚节点数目造成网络成本的大量提高和能量严重消耗的问题。 2.首次将几何学中的斜率概念引入到无线传感器网络定位算法中,提出了一种分析锚节点之间位置关系的方法,并给出一种基于几何学的定位方案。在二维平面上定位一个目标节点需要三个位置已知的锚节点,其中三个锚节点的选取是非常重要的,如果未知节点所选取的锚节点位置不合理将无法定位出节点的位置,因此节点在定位前根据提出的方案选出最优的锚节点组合,然后再进行定位,可以提高定位的准确性。此方法为定位算法中锚节点的选取提供可靠依据,从而达到了提高定位精度和定位覆盖率的效果。 3.提出一种用概率模型检测定位算法可信度的方法。定位误差的大小在很大程度上决定了定位算法的应用,如果误差过大,把错误的位置信息传输给监控中心将会产生误导以致做出错误的判断,从而会对应用造成巨大的损失,此方法为无线传感器网络的应用提供了有力的技术支持。该模型将对DV-Hop定位系统进行分析,在节点真实位置未知的情况下,根据概率模型就可以判断出节点位置误差大小,找出节点定位的优劣,完善了无线传感器网络在定位应用中的评价体系。 4.研究了基于测距的TDOA定位算法性能,TDOA算法的定位精度精准性取决于测量时间差,如果测量时间值误差过大,根据估计距离得到的TDOA方程组将无法求解。因此,本文将经典的牛顿迭代法理论与TDOA算法相结合,构建出二元非线性方程组。从理论上推导出TDOA双曲线牛顿迭代方程,解决了双曲线方程由于测量时间差存在误差造成难以求解的问题。为无线传感器网络定位技术的发展奠定了理论基础。 通过研究锚节点数目、锚节点位置分布、定位算法误差分析和基于测距的定位算法优化方法,论文从多个角度解决了无线传感器网络定位中存在的关键问题,为WSN的应用与发展起到了巨大的推动作用。


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