无线传感器网络节点定位关键技术研究

无线传感器网络节点定位关键技术研究

论文摘要

无线传感器网络主要用于感知,监测网络覆盖区域中的各种环境参数。近年来随着无线传感器网络软硬件技术的发展,无线传感器网络已逐渐从理论研究走向实际应用。无线传感器网络在工业控制,农业生产,环境监测,军事国防等方面,都有着巨大的应用潜力。节点定位是无线传感器网络的关键和支撑技术之一,许多应用都跟节点位置息息相关,同时节点定位还为无线传感器网络的其他理论和技术如基于位置的路由,跟踪,监测等提供基础。开展对无线传感器网络节点定位的研究,具有十分重要的理论和现实意义。本文首先对无线传感器网络的概念、特点和体系结构等进行简要的介绍,然后重点分析对比了当前节点定位的主要算法及其优缺点。在总结当前定位算法存在问题的基础上,本文提出了一种环境感知的节点测距方法EAM(Environment Aware Node Distance Measure Method)。EAM测距方法使用接收信号强度指示进行测距,该方法首先根据导标节点之间的相互关系,将网络覆盖区域划分为若干子区域,然后再通过导标节点之间的相互协作,分别确定出无线信号在不同子区域环境下具体的传播损耗模型,针对不同的子区域,分别选择相应区域下的信号传播模型将接收信号强度指示转化为距离信息,从而克服了网络覆盖区域中不同子区域信号传播模型的差异对距离测量的影响。为了检验EAM方法的性能,我们在Matlab平台上对该方法进行了仿真。仿真结果表明,与通常的距离测量方法相比,EAM能提高平均测距精度约15%-30%。在EAM方法中,未知节点根据自身所处的区域,选择相应区域的信号传播模型作为其信号传播模型,从而进行测距定位。在此过程中,未知节点区域的选择对测距和定位的精度有着较大影响。基于此,本文分别给出了四种不同的区域选择法并从数学角度分析了区域选择的一般原则。在基于接收信号强度指示进行测距的定位算法中,障碍物对测距精度有较大的影响。EAM方法的提出,为某些特殊情况下的障碍物分析提供了可能,本文分别针对三种情况下的障碍物进行了分析。通过对障碍物的分析,可以进一步提高EAM方法的测距精度。最后,本文给出了基于EAM的定位系统的设计与实现,并在实验室环境下测试了基于EAM的系统与基于通常测距方法的系统的定位误差。实验结果表明,基于EAM方法的定位系统能提高定位精度约20%,平均定位误差在30%以内,能满足绝大部分无线传感器网络对节点定位精度的要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 无线传感器网络概述
  • 1.2.1 无线传感器网络的概念
  • 1.2.2 无线传感器网络的应用
  • 1.2.3 无线传感器网络的特点
  • 1.3 节点定位及其意义
  • 1.4 本文工作
  • 1.5 本文组织结构
  • 第二章 WSN 定位算法综述
  • 2.1 概念和术语
  • 2.2 节点定位问题描述
  • 2.3 典型定位算法简介
  • 2.3.1 无需测距的定位算法
  • 2.3.2 基于测距的定位算法
  • 2.4 节点定位面临的挑战
  • 2.5 小结
  • 第三章 基于环境感知的WSN 节点测距方法—EAM
  • 3.1 引言
  • 3.2 环境感知节点测距方法
  • 3.2.1 问题描述
  • 3.2.2 基本思想与测距求解
  • 3.3 仿真实验及结果比较分析
  • 3.3.1 仿真环境建立
  • 3.3.2 仿真结果分析
  • 3.4 小结
  • 第四章 EAM 方法的进一步讨论
  • 4.1 区域的选择方法及其比较
  • 4.1.1 四种不同的区域选择方法
  • 4.1.2 区域选择的一般模型
  • 4.2 基于EAM 测距方法的障碍物分析
  • 4.2.1 障碍物分析的动机
  • 4.2.2 几种特殊条件下的障碍物分析
  • 4.3 小结
  • 第五章 WSN 基于EAM 的定位系统实现与性能评价
  • 5.1 设计目标
  • 5.2 实现平台简介
  • 5.2.1 Micaz 节点
  • 5.2.2 TinyOS 操作系统
  • 5.2.3 NesC 语言
  • 5.3 系统的组成和结构
  • 5.3.1 无线传感器网络端组成
  • 5.3.2 客户端定位软件子系统组成
  • 5.4 EAM 定位的基本过程
  • 5.5 系统性能分析
  • 5.5.1 实验环境的建立
  • 5.5.2 实验结果分析
  • 5.6 小结
  • 第六章 结束语
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果
  • 相关论文文献

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