无线传感器网络分布式节点定位方法研究

论文摘要

近年来,微机电系统、无线通信和数字电子技术的进步促进了具有低功耗、低代价与多功能特点的微型传感器制造技术的发展。大量具有传感单元、数据处理单元和通信单元的传感器节点引发了无线传感器网络的概念,即将大量的传感器密集地散布在感知区域,传感器间以自组织的方式构成无线通信网络,有效实现远程信息的采集、处理和传输。无线传感器网络在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、建筑和结构监测及反恐抗灾等领域具有广泛的应用前景。无线传感器网络及其相关领域的研究引起了人们广泛的关注,主要包括各种网络协议、时间同步、协同信息处理、网络拓扑控制等。在众多相关研究领域中,传感器节点的位置信息作为网络无缝协调的基础成为了必需解决的关键问题之一。对无线传感器网络而言,设计一个可行的节点定位方案面临诸多挑战,主要表现为复杂的物理环境和有限的网络资源。本文旨在探讨符合无线传感器网络特点和要求的分布式节点定位方法,主要工作概括如下:本文探讨了大规模、自组织无线传感器网络实现节点定位的主要挑战。阐述了本文的选题背景及意义,综述了无线传感器网络的节点定位算法的研究进展。此外,论文简要介绍了无线传感器网络其他领域的主要研究现状。针对典型的DV-Hop定位算法,详细分析了该算法特性,利用Cramer-Rao边界定理对定位误差特性从理论上进行了分析和探讨,然后从理论和实验两方面分析了算法中使用的跳距估计误差。在此基础上,本文提出了一种改进方法,其基本思想是根据导标节点和未知节点间的相互位置关系有选择性地利用导标节点,主要创新在于导标节点共线度概念的引入。在算法的实现中,提出了自适应共线度阈值确定方法。通过仿真实验对定位性能比较,改进算法较传统算法在平均误差和误差方差方面分别降低1045%和3550%。针对无线传感器网络拓扑结构特点及经典无须测距定位方法的局限性,提出了分布式的多跳导标节点定位方法（Multi-Hop Beacon Based Localization,简称MHB定位方法）。该方法的主要创新在于应用距离矢量路由法获得邻近导标节点的同时,充分利用了三角形内点的特性及相关几何性质,在选择参与定位的导标节点集时考虑了导标节点共线度及未知节点与导标三角形的几何位置关系,并在此基础上提出了不依赖于复杂优化计算的扩展质心位置估算策略。MHB算法具有很好的自适应性、分布性和可扩展性,特别是在计算复杂度及定位精度鲁棒性等方面表现出了很好的性能。当网络密度从4到14变化过程中,该算法最大定位误差和定位误差方差分别为DV-Hop的1/61/2和1/31/2。本文也探讨了高精度的节点定位方法,该方法的探讨是基于测距技术而展开的,刚性图理论为本方法提供了理论支撑。受随机图论中刚性图理论的启发,本文提出了基于定位协作体的节点定位方法,该方法主要思想是根据网络局部拓扑自适应形成可实现节点位置估计的定位协作体,然后通过优化计算实现未知节点的位置估计。这种基于协作模式的定位策略的主要优点在于充分利用了多跳导标节点的位置信息,同时还可有效避免了定位误差在网络中恶性传播和积累。论文重点描述了基于协作模式的节点定位方法的基本原理及定位协作体的生成算法。仿真结果表明,提出的定位策略具有较好的自适应性、鲁棒形和可靠性,当测距误差方差从0.0250.30倍通信视距时,定位误差为0.020.36倍通信视距,该定位精度能满足多数场合下无线传感器网络对节点位置信息的精度要求。在上述定位方法的研究基础上,本文分析了定位服务质量的相关问题,提出了区分定位服务策略,即在实际的应用中可以根据定位需求和定位场景提供不同服务质量的定位支持。这种策略的提出可以使定位算法在满足系统定位精度的前提下大大降低系统能耗,这为无线传感器网络定位问题提供了新的解决思路。论文最后总结了所作的工作,并就进一步的研究方向进行了简单探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及其研究意义
• 1.1.1 普适计算与无线传感器网络
• 1.1.2 无线传感器网络的主要特点
• 1.1.3 无线传感器网络中的节点定位问题
• 1.2 研究内容及本文章节安排
• 2 无线传感器网络节点定位研究综述
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络概念
• 2.1.2 无线传感器网络硬件结构
• 2.1.3 无线传感网络相关的协议及标准
• 2.2 无线传感器网络节点定位问题描述
• 2.3 典型无线传感器网络节点定位方法
• 2.3.1 基于测距技术的定位方法
• 2.3.2 无须测距定位方法
• 2.3.3 定位方法小结
• 2.4 其它相关研究热点
• 2.4.1 路由技术
• 2.4.2 协同式信息处理技术
• 2.4.3 同步技术
• 2.5 本章小结
• 3 多边节点定位方法性能分析及DV-HOP 算法改进
• 3.1 引言
• 3.2 基于多跳导标的节点定位原理
• 3.2.1 定位研究中的基本概念与假设
• 3.2.2 多边定位方法基本原理
• 3.2.3 典型定位实例—DV-Hop 定位方法
• 3.3 定位误差
• 3.3.1 定位误差的几种表示方法
• 3.3.2 Cramer-Rao 边界定理
• 3.3.3 基于CRLB 的DV-Hop 定位误差分析
• 3.4 定位性能理论分析
• 3.5 一种改进DV-HOP 定位策略
• 3.5.1 共线度
• 3.5.2 基于自适应共线度阈值的导标选择策略
• 3.5.3 位置估算
• 3.6 仿真实验及分析
• 3.7 本章小结
• 4 基于多跳导标节点的轻量级定位方法
• 4.1 引言
• 4.2 基于多跳导标节点的分布式定位算法原理
• 4.2.1 质心位置估算方法性能分析
• 4.2.2 改进质心位置估算方法性能分析
• 4.2.3 邻居导标节点选择策略
• 4.2.4 基于权值的未知节点位置估算方法
• 4.3 算法的实现及性能分析
• 4.3.1 算法的实现
• 4.3.2 算法性能分析
• 4.4 仿真与评估
• 4.4.1 仿真平台-OMNeT++
• 4.4.2 仿真实验设计
• 4.4.3 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于协作模式的高精度节点定位方法
• 5.1 引言
• 5.2 刚性图理论
• 5.3 基于邻居节点距离信息的定位模型
• 5.4 基于刚性图的定位协作体理论
• 5.4.1 网络定位条件
• 5.4.2 定位协作体
• 5.5 基于协作模式的定位方法描述
• 5.5.1 定位协作体的生成
• 5.5.2 方程求解优化算法
• 5.6 定位方法的实现
• 5.7 实验仿真及分析
• 5.8 本章小结
• 6 能量有效区分服务定位方法
• 6.1 引言
• 6.2 能耗模型及基本假设
• 6.3 区分定位服务模型
• 6.4 实验仿真
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 发展方向和下一步研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 攻读博士学位期间所发表（录用）的论文
• 附录二 论文中所用缩语一览表