无线传感器网络节点三维定位算法研究

论文摘要

无线传感器网络是集传感器技术、微机电技术、现代网络与无线通信技术于一体的综合智能信息处理平台,具有广阔的应用前景,已经引起了人们越来越多的关注。它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络可广泛应用于公共安全、国防军事、医疗卫生、环境监测、智能家居、抢险救灾等诸多领域。由于传感器节点在部署时的不可控制性（如通过飞机撒放）,网络中大多数节点位置不能事先确定,而无线传感器网络的大量应用都需要网络中节点的地理位置信息,从而获知信息来源的准确位置。因此,在无线传感器网络中,传感器节点的精确定位是各种应用的前提和基础。在实际应用中,传感器节点多被随机投放在三维空间内,这就要求定位算法能在三维立体空间内实现传感器节点的定位。现有定位算法大多数是针对平面空间进行定位,而针对三维空间内无线传感器网络节点的定位问题,在国际上还没有出现一种公认的解决方法。因此,分布式、低计算复杂度、高精度的三维定位较二维定位具有更大的发展潜力和应用前景。本文的研究工作就是围绕着无线传感器网络节点的三维定位这一课题进行的。本文首先综述了无线传感器网络节点定位技术,介绍了节点定位的基本概念、基本方法,重点给出了无线传感器网络节点定位算法的几种分类方法,然后列出了定位算法的评价指标。接着在对几种典型的三维定位算法进行深入分析研究的基础上,针对现有算法存在的问题和不足,提出了一种基于非测距的分布式三维无线传感器网络定位算法（DRFP-3D）。该算法无需测量节点间的实际距离,只需要锚节点分级广播它们自身的信标信息,在锚节点一跳通信范围内的未知节点接收并存储监听到的信标信息,并根据这些信息估计自身位置。与现有的基于非测距的三维定位算法相比,该算法计算量小,无需额外的节点硬件支持,对网络拓扑具有一定的鲁棒性,通信开销和定位误差均比较小,弥补了目前许多方法存在的不足,非常适合低功耗的无线传感器网络在实际中的应用。仿真结果表明,在500m×500m×50m的三维空间内,随机放置20个锚节点,取ANR=4,就能对97%的节点进行定位,其平均定位误差仅为20%左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文结构安排
• 第二章 无线传感器网络
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络的结构
• 2.1.2 无线传感器网络的特点
• 2.1.3 无线传感器网络的应用
• 2.2 无线传感器网络的关键技术与面临的挑战
• 2.2.1 无线传感器网络的关键技术
• 2.2.2 无线传感器网络面临的挑战
• 2.3 本章小结
• 第三章 无线传感器网络节点定位技术
• 3.1 节点定位的基本概念
• 3.2 计算节点位置的基本方法
• 3.2.1 三边测量法
• 3.2.2 三角测量法
• 3.2.3 极大似然估计法
• 3.3 定位算法分类
• 3.3.1 物理定位与符号定位
• 3.3.2 绝对定位与相对定位
• 3.3.3 基于锚节点的定位算法和无锚节点的定位算法
• 3.3.4 集中式定位算法与分布式定位算法
• 3.3.5 基于测距技术的定位和无需测距技术的定位
• 3.4 定位算法的性能评价
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线传感器网络三维定位算法的设计
• 4.1 典型三维定位算法
• 4.1.1 APIS
• 4.1.2 Landscape-3D
• 4.1.3 APIT-3D
• 4.1.4 其它三维定位算法
• 4.2 DRFP-3D
• 4.2.1 空间小正方体与投票机制
• 4.2.2 锚节点
• 4.2.3 未知节点
• 4.2.4 位置计算
• 4.2.5 DRFP-3D算法的步骤
• 4.3 本章小结
• 第五章 算法的性能分析与仿真实验
• 5.1 无线信号传播的理论模型
• 5.2 算法仿真
• 5.2.1 系统参数
• 5.2.2 性能指标参数
• 5.2.3 仿真结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间参与的工程项目和发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表