无线传感器网络中基于移动锚节点的定位算法研究

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)集成了多种技术,它是由部署在指定的监测区域内大量的低成本具有感知、协作、计算、可自组织以及无线通信能力的微型传感器节点组成的网络。WSN应用范围很广阔,现已应用于军事、环境监测、复杂机械监控、工业园区的安全监控等领域。而在这些应用当中,都需要目标定位技术的支持,获取节点的信息位置在WSN的监测活动中是非常重要的,可以说没有位置信息的监测消息往往毫无意义;另外,节点定位也是目标跟踪、地理路由等技术的前提。因此,对节点定位技术的研究是至关重要的。在WSN的节点定位技术中,根据在定位过程中是否测量实际节点间的距离,可将现有的定位算法分为两类:基于距离的定位算法和距离无关的定位算法。经过研究可知,前者定位精度相对较高,但硬件要求也高;而后者硬件要求低,节点成本小,适用于大规模传感器网络,但是定位精度却不高。因此,本文重点研究了无需测距的节点定位算法。本文的主要工作归纳如下:(1)首先深入研究了WSN节点定位技术的基本原理,对目前常用的节点定位算法进行详细介绍、分类、分析和对比,总结各自的优缺点。(2)重点研究了APIT定位算法,分析和总结了其存在的不足之处。该算法是一种距离无关定位算法,在固定同构的密集网络中,可以得到比较合理的定位精度。然而,在随机分布的网络中,定位误差较大,并且定位覆盖率较低。这是由于在随机分布的传感器网络中,其节点分布往往是不均匀的,监测区域中有的地方分布的节点多,有的分布的少甚至没有,从而造成比较多的节点位置不能被确定,其定位精度也受到严重影响。针对以上问题,本文提出了一种基于移动锚节点的定位方法,其基本思想是,在传感器网络中引入移动锚节点,在网络的初始化时,通过一定的移动覆盖算法尽量使锚节点能够分布均匀,从而改善未知节点的定位性能。(3)通常,定位性能还会受到参与定位的锚节点数量的影响,适量的锚节点有助于提高定位精度和定位覆盖率。为此,本文提出了一种基于异构传感器网络的最佳节点数量的计算方法。从理论上可以预先求出指定的区域中能够完全覆盖监测区域所需要的锚节点和未知节点的个数。(4)对于APIT算法不能进行定位的无效节点(即只有1个或2个邻居锚节点),本文给出了具体的定位方法。另外,还引入了RSSI量化模型对APIT算法的定位精度进行修正,升级第一阶段可进行定位的未知节点为新的锚节点等方法。(5)最后,验证和讨论改进后定位算法的整体性能。采用Matlab 7.0仿真平台对改进后的定位算法与同类算法进行仿真对比。仿真实验表明,采用本文提出的基于移动锚节点的定位方法,在定位的精度和定位覆盖率等方面与同类方法相比有较大的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序言
• 1.1 研究目的与意义
• 1.1.1 研究目的
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 研究背景与发展动态
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 发展动态
• 1.3 本文的研究内容和组织结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 无线传感器网络相关知识概述
• 2.1 无线传感器网络的定义
• 2.2 无线传感器网络的特征
• 2.3 无线传感器网络的体系结构
• 2.4 无线传感器网络的关键技术
• 2.5 无线传感器网络的应用领域
• 2.6 本章小节
• 第三章 无线传感器网络节点定位技术的研究
• 3.1 定位技术的概念
• 3.2 与定位相关的术语
• 3.3 设计定位算法需要考虑的因素
• 3.4 定位算法优劣评价标准
• 3.5 计算未知节点位置的理论基础和基本方法
• 3.5.1 理论基础
• 3.5.2 计算节点位置的基本方法
• 3.6 定位算法的分类和比较
• 3.6.1 定位算法的分类
• 3.6.2 常见定位算法的比较
• 3.7 本章小节
• 第四章 APIT 定位算法的分析和改进
• 4.1 APIT 定位算法内容及分析
• 4.1.1 APIT 定位算法具体内容
• 4.1.2 APIT 定位算法不足之处分析
• 4.2 定位算法改进思想
• 4.3 MAN-APIT 定位算法理论分析
• 4.3.1 RSSI 测距量化模型
• 4.3.2 移动锚节点的再部署与最优数量
• 4.3.3 只有两个锚节点的定位方法
• 4.3.4 只有1 个或0 个锚节点的定位方法
• 4.4 MAN-APIT 算法过程
• 4.4.1 MAN-APIT 算法前提
• 4.4.2 MAN-APIT 算法数据结构
• 4.4.3 MAN-APIT 算法伪语言简单描述
• 4.5 MAN-APIT 算法流程图
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验仿真与结果分析
• 5.1 仿真工具Matlab 简介
• 5.1.1 基本功能
• 5.1.2 Matlab 常用工具箱
• 5.2 仿真实验相关参数设置
• 5.3 算法仿真与结果分析
• 5.3.1 网络拓扑部署
• 5.3.2 理想状态下定位结果分析
• 5.3.3 锚节点密度对定位结果的影响
• 5.3.4 节点密度对定位结果的影响
• 5.3.5 节点通信半径对定位结果的影响
• 5.3.6 算法的时间复杂度
• 5.3.7 算法的综合性能评价
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录