各向异性无线传感网络节点定位问题研究

论文摘要

基于位置信息的服务广泛存在于整个无线通信应用领域,从短距离蓝牙通信到长距离电话网络通信,我们均能发现位置信息的重要性。位置信息对于无线传感网络的应用来说同样至关重要,没有位置信息的数据是无意义的。传统的定位算法研究主要致力于提高定位算法的精度以及执行效率等方面,而较少考虑传感器节点所处的实际定位环境或是节点自身硬件约束对定位精度产生的影响。我们将复杂定位环境以及节点天线传输模型不规则性总结为传感网络的各向异性特征,因此针对各向异性传感网络定位相关问题的研究是本文的主要工作。论文针对无线传感网络的各向异性特征对节点定位带来的难点进行分析并展开深入的研究,引入计算几何和博弈论等理论作为研究工具,以降低各向异性网络对测距误差带来的影响、提高节点定位精度和算法收敛速度为目标,提出了有效的解决方案。本文的主要研究内容和创新点如下:1.针对之前提到的复杂定位环境造成的各向异性情况,我们设计了基于参考节点权重选择的各向异性网络定位算法WSAN。传统的基于多跳定位算法假设节点间通过计算得到的最短路径长度与实际几何距离之间存在函数映射关系,然而由于传感节点应用场景以及分布环境的多样性,在一些复杂区域中这种函数映射关系将不再成立,从而在这类区域应用传统定位算法将带来较大定位误差。WSAN算法根据待定位节点与参考节点间的最短路径受边界以及障碍物影响的程度来滤除受各向异性区域影响严重的参考节点路径。网络中的每一个未知节点通过选择合适的,未受影响的参考节点进行定位,降低了定位过程中错误距离估计带来的影响,从而大幅提高了定位精度。仿真实验表明,较之传统的多跳定位算法,WSAN算法通过合理选择参考节点,将平均定位误差减小了约30%。2.为了在一般网络拓扑与各向异性网络拓扑之间寻找并建立联系,进而设计一种应用性更广的普适定位算法,论文提出了基于参考节点凸包划分的距离无关各向异性网络定位算法CHP。CHP算法首先对参考节点进行凸包划分,然后按照路径最短优先原则为待定位节点选择所属凸包。最终,算法依据待定位节点所属凸包内的所有参考节点对其进行定位,从而有效避免了各向异性区域边界和障碍物对定位精度的影响。性能分析及仿真实验表明,提出的新算法较传统的基于多跳算法以及各向异性区域内基于参考节点权重选择算法在定位精度以及误差抖动上有了大幅度改进,因此更适用于各向异性区域定位。3.设计了基于博弈理论的各向异性网络定位算法。现有的大多数定位算法可以分为初始定位和位置求精两个阶段。这些算法在位置求精时大多是利用未知节点的邻节点以及其它相关节点来修正位置信息,但是目前尚未开展针对“如何才能最合理的修正未知节点位置信息”问题的研究。在位置求精阶段,假设所有节点都追求自身最高的位置精度,同时节点都是自私的,希望通过调节其它节点的位置信息来提高自身位置信息的可信度。对于节点间的这种利益冲突关系,博弈论是一种合适的数学分析工具。因此本文提出了一种基于博弈理论的定位算法GTCMS解决上述问题。在迭代求精阶段,每个未知节点首先根据自然的博弈过程选择位置修正时能够达到NASH均衡的邻节点;然后根据最优反应理论调整自身的位置。GTCMS算法首次将博弈理论引入定位问题中,并实现了全局NASH均衡。与传统未采用博弈理论的定位算法相比,它可以大幅降低定位误差并提高收敛速度。4.设计了基于路由信息修正的各向异性网络定位算法。一般定位算法大都假设传感节点具有规则的通信传输模型,且每一个节点均可与其通信半径内的邻居节点相互通信,同时不存在传输过程中的丢包问题。通过实际传感器节点端实验发现,每一个节点的信号传输模型均是不规则的,具有相同发射功率的不同节点间也存在较大的差异,并不能实现节点之间的对等通信;即使对于一个确定的具备全向通信能力的节点而言,在不同方向和不同时间点内其通信半径也是波动的。与此同时,传感节点间的无线通信链路质量较差,特别是对于相距较远的两个节点在通信时会存在频繁丢包的现象。上述的这些问题均会影响节点的定位精度,论文将着重研究节点通信半径的不规则、时变性以及节点间通信链路丢包等问题,同时提出了一种基于路由信息修正的各向异性区域定位算法RCL。RCL定位算法通过一系列策略很好地解决了上述问题。模拟实验表明,采用上述策略不仅可以保证得到正确的最短路径信息,还尽可能地减少了不规则通信半径带来的负面影响,能够有效地提高定位精度。论文将计算几何,博弈论等知识体系引入各向异性传感网络定位问题中,为该研究方向带了全新的研究思路。在文章最后,分析并展望了算法中不够完善的地方,提出了下一步工作的具体构想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感网络的研究背景及意义
• 1.1.1 无线传感网络研究概述
• 1.1.2 无线传感网络的特点及局限性
• 1.1.3 无线传感网络研究的关键技术
• 1.2 无线传感网络定位基本理论
• 1.2.1 定位的基本概念
• 1.2.2 传统定位算法研究现状
• 1.2.3 定位算法性能评价指标
• 1.3 各向异性传感网络定位问题介绍
• 1.4 本文研究内容及论文结构
• 第二章 各向异性无线传感网络定位问题相关研究
• 2.1 各向异性传感网络定位问题研究背景
• 2.1.1 各向异性传感网络定位问题研究动机
• 2.1.2 各向异性传感网络定位问题形式化定义
• 2.2 各向异性定位算法研究现状及分类
• 2.3 各向异性传感网络定位问题的研究特点及挑战
• 2.3.1 各向异性传感网络定位算法性能比较
• 2.3.2 各向异性传感网络定位问题存在的挑战
• 2.4 各向异性传感网络定位算法的评价指标
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于参考节点权重选择的各向异性区域定位算法
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.2.1 传统定位算法定位误差分析
• 3.2.2 各向异性传感网络定位问题建模
• 3.3 基于参考节点权重选择的定位算法设计
• 3.3.1 边界检测
• 3.3.2 广播寻找最短路径
• 3.3.3 参考节点加权
• 3.3.4 参考节点权重选择及未知节点定位
• 3.4 实验分析
• 3.4.1 实验参数配置
• 3.4.2 不同参数对各向异性区域定位算法性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于参考节点凸包划分的定位算法
• 4.1 概述
• 4.2 相关预备知识
• 4.2.1 凸包基础知识
• 4.2.2 弹簧模型基础知识
• 4.3 CHP 算法设计
• 4.3.1 边界检测
• 4.3.2 参考节点凸包划分
• 4.3.3 凸包修复算法
• 4.3.4 凸包染色及未知节点位置判定
• 4.3.5 未知节点定位
• 4.4 CHP 算法正确性证明
• 4.5 CHP 算法实验仿真
• 4.5.1 实验配置
• 4.5.2 实验结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于博弈理论的各向异性无线传感网络定位算法
• 5.1 引言
• 5.2 博弈论相关基础知识
• 5.3 问题建模
• 5.4 GTCMS 算法设计
• 5.4.1 节点置信度更新
• 5.4.2 力的选择
• 5.4.3 节点位置修正
• 5.5 GTCMS 在各向异性网络中的应用
• 5.6 实验分析
• 5.6.1 GTCMS 在一般区域中的实验效果
• 5.6.2 GTCMS（E）在各向异性区域中的实验效果
• 5.7 本章小结
• 第六章 基于路由信息修正的各向异性区域定位算法
• 6.1 引言
• 6.2 基于路由信息修正的定位算法设计
• 6.2.1 邻节点集合确定
• 6.2.2 邻节点集合修正
• 6.2.3 寻找最短路径
• 6.2.4 各向异性区域博弈定位
• 6.3 实验分析
• 6.3.1 实验参数设置
• 6.3.2 实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结
• 7.1 全文研究内容总结
• 7.1.1 论文研究内容
• 7.1.2 论文的创新点与贡献
• 7.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间完成的学术论文
• 在读期间参加的科研项目