基于测距的无线传感器网络定位优化算法的研究

论文摘要

无线传感器网络是一种综合了传感技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信等技术而发展起来的现代网络技术,可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。未来传感器网络技术将成为现实世界和数字世界的接口,并深入到人们生活的各个层面。对该技术的深入研究将推动我国的信息化建设,并极大地带动相关产业和学科的发展,从而为国民经济带来新的增长点。节点定位技术作为无线传感器网络的关键技术,对传感网的运行起着核心的支撑作用。论文首先对无线传感器网络进行概述,介绍其结构和特点,然后介绍无线传感器网络的定位问题,重点对非视距环境中基于测距的定位算法进行论述。根据定位过程中是否测量实际节点间的距离,传感网中的定位算法通常分为基于距离的（range-based）定位算法和距离无关的（range-free）定位算法。其中,距离无关的定位算法精度较低,本文把研究重点放在基于距离的定位算法。在实际系统中,信号的传播并不总是沿着视距传播,如何消除或减小非视距误差（NLOS）对定位精度的影响是无线传感网络定位中的一个核心问题。近年来国内外这方面的研究可以概括为三类：第一类是视距重构算法,首先判断非视距信号,然后采用某种规则,重构视距环境下的信号；第二类是非视距加权,对非视距信号采用小的权值,对视距信号采用大的权值,从而减小非视距信号的影响；第三类是视距鉴别,即从信号中提取视距信号进行定位,这类算法有定位精度高的优点,本文主要针对这类算法进行研究。这类算法比较典型的是Yiu-Tong Chan提出的基于残差检测（RT）的算法,该算法对不同的信号进行分组,计算不同信号组合的残差平方,假定信号噪声为高斯分布,则残差平方和服从中心卡方分布,设定一个判决门限,统计每一组合残差平方和大于判决门限的数目,判断信号组合是否全为视距信号。由于该算法遍历所有分组,当可用锚节点数目较大时,计算量相当庞大,不适于无线传感网的实际应用。本文针对RT算法计算复杂度高的特点,在保证一定定位精度的前提下,创新性地提出IRT算法。该算法首先将距离测量值分为四个一组,如果残差最小的一组仅包含视距信号,再以该组与剩余距离测量值分别组合,检测残差最小的一组是否包含非视距信号,重复该步骤,直至选出所有视距信号。该算法经过优化,避免了对大量包含非视距信号分组的计算,降低了计算复杂度,同时充分利用可能的锚节点冗余,从而降低了系统误差的影响。基于IRT算法,在视距鉴别过程中,用同样满足高斯分布的LS估计代替复杂的AML估计,并进一步优化子分组划分方式,本文提出了复杂度计算量均衡算法（CATO）,进一步降低了计算量。文中通过MATLAB 7.0对算法在不同的环境和参数下的性能进行了全面的仿真比较,结果表明,新算法的定位性能接近RT,而计算复杂度却大大降低。

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 无线传感网络的特点
• 1.2.3 无线传感网络的应用
• 1.3 无线传感网络定位算法研究现状
• 1.4 本课题的研究内容及结构安排
• 第二章 无线传感网络中基于测距的定位算法
• 2.1 基本概念
• 2.2 基于测距的定位技术
• 2.2.1 测距方法
• 2.2.2 节点位置基本计算方法
• 2.3 非视距误差（NLOS）
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于残差检测的无线传感器网络定位算法研究与分析
• 3.1 传统残差检测算法（RT）
• 3.2 优化的残差检测算法（IRT）
• 3.3 复杂度准确率均衡算法（CATO）
• 3.4 计算量分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于测距的定位算法性能仿真与分析
• 4.1 误差模型和场景设定
• 4.2 仿真分析与比较
• 4.2.1 确定性非视距误差环境下的仿真分析与比较
• 4.2.2 随机性非视距误差环境下的仿真分析与比较
• 4.2.3 算法在不同环境下的适应性
• 4.2.4 算法准确定位比率
• 4.3 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
• 5.1 工作总结
• 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