无线传感器网络的自身定位算法研究与性能仿真

论文摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息,并发送给观察者。该网络具有远程监控、实时监测、能在恶劣和特殊的环境下工作等多种优点,在制造业、交通管理、环境监测、医疗卫生、国防军事、反恐抗灾等领域广泛应用。无线传感器网络作为一种全新的技术,还有很多关键技术有待于研究,而定位技术就是其中之一。定位是大多数应用,特别是军事应用的基础。无线传感器网络中的定位机制与算法包括两部分：节点自身定位和外部目标定位,而前者是后者的基础。因此近年来,关于无线传感器网络节点定位技术已经成为无线传感器网络技术的研究热点之一。无线传感器网络中节点定位算法按照定位过程中是否需要测距信息来分,可以分为无需测距的定位算法和基于测距技术的定位算法。其中无需测距的定位方法被认为是一种具有好的成本效益的解决方案。在无需测距的定位方法中,DV-Hop（Distance Vector-Hop）算法是一种简单易实现的节点定位算法。该节点定位算法无需节点具有测距能力,同时对锚节点比例要求较少,定位精度较高,因此,已成为一种经典的无需测距定位方法。但是该算法也存在许多的不足,一是存在无法定位的节点,二是通过跳数与平均每跳距离的乘积得到的距离不可避免地存在误差、节点会收到多余的相同锚节点的信标消息等不足。本文针对上述不足,提出了改进的DV-Hop算法。在改进的算法中,引入了两种机制,一是排除无法定位的节点和对转发的消息设置生存期,从而降低了节点间的通信量及减少平均定位误差；二是将已定位节点升级为锚节点,利用升级的锚节点进行迭代定位以将定位节点的范围逐步扩展到整个网络,从而可以有效提高定位节点的覆盖率。根据提出的改进算法,在Matlab平台上进行了仿真,并进行了一系列实验。实验结果表明,改进后的DV-Hop算法在通信开销、平均定位误差及定位覆盖率方面都优于DV-Hop算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究任务与内容
• 第2章 无线传感器网络的基础理论
• 2.1 无线传感器网络的概念
• 2.2 无线传感器网络的体系结构
• 2.2.1 无线传感器网络结构
• 2.3 无线传感器网络节点结构
• 2.4 无线传感器网络协议栈
• 2.5 无线传感器网络的特点及性能评价
• 2.5.1 无线传感器网络的特点
• 2.5.2 无线传感器网络性能评价
• 2.6 无线传感器网络的应用
• 2.7 无线传感器网络的关键技术
• 2.8 本章小结
• 第3章 无线传感器网络自身定位的基本原理和算法
• 3.1 节点定位的基本概念
• 3.1.1 节点定位问题描述
• 3.1.2 节点定位常用术语
• 3.2 节点定位算法的分类
• 3.2.1 基于测距的定位算法和距离无关的定位算法
• 3.2.2 递增式定位算法和并发式定位算法
• 3.2.3 细粒度定位算法和粗粒度定位算法
• 3.2.4 绝对定位与相对定位
• 3.2.5 紧密耦合与松散耦合
• 3.2.6 基于信标节点的定位算法和非基于信标节点的定位算法
• 3.3 节点定位的基本算法
• 3.3.1 节点间距离或角度的测量方法
• 3.3.2 计算未知节点位置坐标的基本方法
• 3.4 无线传感器网络自身定位系统和算法的性能评价
• 3.5 本章小结
• 第4章 DV-HOP算法的研究及其改进设计
• 4.1 DV-HOP算法的研究
• 4.2 DV-HOP的改进算法
• 4.2.1 算法改进的基本思想
• 4.2.2 DV-Hop改进算法的具体实现
• 4.2.3 定位算法流程图
• 4.3 本章小结
• 第5章 算法仿真与分析
• 5.1 仿真软件MATLAB的介绍
• 5.1.1 MATLAB概述
• 5.1.2 MATLAB的特点
• 5.1.3 MATLAB仿真在通信领域的应用
• 5.2 仿真场景的建立
• 5.3 仿真实验结果
• 5.3.1 通信开销
• 5.3.2 平均定位误差
• 5.3.3 定位覆盖率
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步展望
• 参考文献
• 致谢