无线传感器网络非测距三维定位算法的研究

论文摘要

无线传感器网络（WSN）作为一种由大量结构简单、价格低廉的微型传感器集成无线通信接口所组成的网络,它在环境监测、灾难救助、目标跟踪、医疗监护等领域都有广泛的应用前景。在这些应用中,节点的位置信息对传感器网络监测活动至关重要。事件发生的位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息,没有位置信息的监测消息往往毫无意义。同时,无线传感器网络的一些协议比如基于地理信息的路由也需要定位信息作为支撑。因此,节点自定位技术是无线传感器网络的重要研究内容之一,具有非常重要的理论意义和实际应用价值。首先,本文概述了无线传感器网络的结构和特点,然后重点研究其节点定位问题。节点定位算法可以分为基于测距（Range-based）和无需测距（Range-free）两类。无需测距定位技术因其低成本和低功耗而备受关注。本文概述了几种典型的非测距定位算法,如质心算法、凸规划、DV Hop、APIT、ROCRSSI等,分析了每种算法的优缺点,指出现有定位算法所存在的问题。这些算法均基于二维平面应用而设计,且较难扩展到三维空间。而在实际应用中,无线传感器网络在空间上往往部呈立体分布,比如在海洋环境监测中,在海平面下不同深度部署传感器节点,进行水温、盐度、洋流、潮汐探测等。这些三维应用具有更加复杂的网络拓扑结构,需要更加健壮的定位算法进行立体空间定位。本文的研究工作主要围绕三维定位算法展开。现有的三维定位算法有两种解决方案,一种是依靠与锚节点进行信息交换,通过三角计算等方法来获取未知节点的位置；另一种是通过基础设施在网内动态广播消息进行定位。对于后者来说,定位成败完全取决于基础设施,存在安全隐患。因此本文重点关注第一种解决方案。本文针对目前三维定位算法存在的不足,基于网格划分思想和投票机制,提出一种分布式非测距三维定位算法（3D-DRL）。该算法将仿真区域划分为大小相同的立体网格,锚节点对所有网格进行投票,最后将得票值最高的网格作为未知节点的‘最大可能定位区域’,选取该区域的质心作为未知节点的估计位置。3D-DRL无需未知节点间相互通信,具有较小的通信开销,不依赖于锚节点比例,且对网络拓扑结构具有鲁棒性。最后,在MATLAB仿真平台上搭建了仿真系统模型,通过对定位算法进行仿真试验,统计分析了各种因素对算法性能的影响,试验结果表明,即使在信号传输不规则的情况下,该算法仍具有较高的定位精度和100%的定位比例,有效的解决了三维空间内的无线传感器网络节点的定位问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 项目支持
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的结构
• 1.2.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络定位系统和算法的研究现状
• 1.4 课题的研究意义
• 1.5 论文组织
• 第二章 无线传感器网络节点定位技术
• 2.1 无线传感器网络节点定位基本概念
• 2.2 无线传感器网络节点定位机制及关键技术
• 2.2.1 节点定位机制
• 2.2.2 节点定位计算方法
• 2.3 无线传感器网络节点定位算法的分类
• 2.3.1 物理定位与符号定位
• 2.3.2 集中式计算与分布式计算
• 2.3.3 基于测距的定位和无需测距的定位
• 2.3.4 基于锚节点的定位算法和非基于锚节点的定位算法
• 2.4 典型的非测距定位算法
• 2.4.1 质心算法
• 2.4.2 凸规划算法
• 2.4.3 DV Hop算法
• 2.4.4 APIT算法
• 2.4.5 ROCRSSI算法
• 2.4.6 几种非测距定位算法的性能比较
• 2.5 无线传感器网络节点定位面临的挑战
• 2.6 本章小结
• 第三章 WSN分布式非测距三维定位算法的设计
• 3.1 节点定位算法的性能评价标准
• 3.2 预期设计目标
• 3.3 相关研究工作
• 3.3.1 Landscape-3D算法
• 3.3.2 Constrained 3-D算法
• 3.3.3 Ou算法
• 3.3.4 APIS算法
• 3.4 基于网格划分的无线传感器网络节点定位思想
• 3.5 3D-DRL算法
• 3.5.1 锚节点和未知节点
• 3.5.2 区域的立体网格化表示
• 3.5.3 投票过程
• 3.5.4 无线信号传输的不规则性
• 3.5.5 算法流程
• 3.5.6 节点位置估计
• 3.6 本章小结
• 第四章 性能仿真及分析
• 4.1 无线信号传输模型
• 4.1.1 DOI模型
• 4.1.2 RIM模型
• 4.1.3 扩展的DOI模型
• 4.2 系统参数设置和算法性能评估
• 4.2.1 系统参数设置
• 4.2.2 性能指标参数
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 不同的分辨率a
• 4.3.2 不同的ANR
• 4.3.3 不同的AH
• 4.3.4 不同的ND
• 4.3.5 不同的AP
• 4.3.6 不同的DOI和BJT
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表