自组织网络的无线定位算法研究

论文摘要

无线传感器网络技术(WSN)是一门崭新的嵌入式无线技术,在军事和民用上都具有相当的前景,随着WSN相关技术的发展,WSN应用产品的增长、社会各行业对解决方案的爆发性需求,使得WSN成为21世纪公认的除互联网以外的第二大泛在网络。而且无线传感器网络的某些路由机制、覆盖信息、负载均衡和拓扑控制等都依赖于网络中传感器节点的位置信息。因此,通过部署大量传感器节点至目标区域,WSN将改变我们与客观世界的交互方式。本文介绍了无线传感器网络的结构和特点,并根据不同的特点进行了基本分类,并介绍和分析了常用定位技术基本原理。并针对野外环境选定了几种基于RSSI的分布式相对定位算法,包括等边三角形定位算法、接收信号强度指示与切圆圆心算法、聚类SPA相对定位算法和卡尔曼滤波算法,详细阐述了这几种定位算法的原理及其定位过程,从而挑选出最恰当的定位算法进行详细的研究及改进。本文重点研究用于无线传感器网络节点自身定位的相对定位算法——聚类SPA算法,但对于野外大环境来说,该方法无疑增加了系统成本;并且信标节点由于通讯次数过多,功耗过大,导致节点寿命短,是无线传感器网络应用的一个致命弱点;此外,有限的信标节点也限制了无线传感器网络的扩展。在此研究背景下,本课题用相对定位和分级组合的方式,提出一种可用于大范围的基于RSSI定位算法。该算法不用人工部署信标节点,它依靠节点间的相对位置,以网络中的某些节点作为参考点,形成局部坐标系,相邻的局部坐标系再依次转换合并,产生整体相对坐标系统,有效解决聚类SPA算法存在的问题。最后进行了仿真实验,仿真实验结果显示,改进后的算法较之原算法具有更小的通信开销,使之更适于节点移动频率较低的无线传感器网络的节点定位应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要内容
• 第2章 无线网络定位技术
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 传感器网络节点和网络体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络特点
• 2.2 无线传感器网络定位技术分类
• 2.3 基于测距技术定位算法
• 2.3.1 基于RSSI的测距
• 2.3.2 基于TOA的测距
• 2.3.3 基于TDOA的测距
• 2.3.4 基于AOA的测距
• 2.3.5 极大似然估计法
• 2.3.6 典型的定位系统
• 2.4 与距离无关的定位算法
• 2.4.1 质心定位算法号的次数
• 2.4.2 凸规划定位算法
• 2.4.3 自适应网络定位算法APS（Ad Hoc Positioning System）
• 2.4.4 APIT（Approximate PIT Test）定位算法
• 2.4.5 Cooperative ranging和Two-phase positioning定位算法
• 2.5 定位性能评价
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于RSSI的传统定位算法及其比较
• 3.1 等边三角形定位算法
• 3.1.1 RSSI均值定位技术
• 3.1.2 三边测量法
• 3.1.3 等边三角形定位算法模型
• 3.1.4 定位算法
• 3.2 接收信号强度指示与切圆圆心混合定位算法
• 3.2.1 基于RSSI的初始测距
• 3.2.2 切圆圆心法
• 3.2.3 RCM算法的数学模型
• 3.3 聚类SPA相对定位算法
• 3.4 卡尔曼滤波算法
• 3.5 MDS-MAP（multidimensional scaling map）算法
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于野外环境的RSSI定位算法
• 4.1 主要研究内容
• 4.2 聚类SPA相对定位算法的分析
• 4.2.1 SPA相对定位算法的主要思想
• 4.2.2 聚类SPA相对定位算法的主要思想
• 4.3 算法设计
• 4.3.1 分簇算法
• 4.3.2 算法描述
• 4.3.3 局部相对坐标图的构建
• 4.3.4 全局坐标系构建的分析与改进
• 4.3.5 相对坐标图转化为绝对坐标图
• 4.4 改进后算法的描述
• 4.4.1 五种消息类型解析
• 4.4.2 算法运行过程描述
• 4.5 算法仿真分析
• 4.6 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢