无需测距的无线传感器网络定位算法研究

论文摘要

无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network）已被广泛应用于军事、环境监测、交通、抗灾,工业现场等诸多领域。节点定位作为无线传感器网络的关键支撑技术和研究热点,对于无线传感器网络的基础理论和应用基础研究都具有重要意义。定位算法必须在满足传感器节点成本和能量的限制下,使节点定位达到低能耗、低成本、低复杂度和高精度。传感器网络节点定位的方法主要有基于测距（Range-based）和无需测距（Range-free）定位技术。前者精度较高,但大都需要额外地增加硬件开销,能量消耗较大,不适用于能量受限的传感器网络大规模应用;而后者仅通过网络的连通度等信息,在不需要距离或者角度信息的情况下能提供足够的定位精度,在成本和功耗方面与前者相比具有显著优势。针对WSN这种特殊的自组织网络,Range-free定位方法得到了广泛关注。本文在简要介绍了几种典型的无需测距的定位方法的基础上,着重研究了利用移动锚节点的Range-free定位方法,此类方法在节约成本和组网的灵活性方面,以及复杂工业环境中的应用具有很大优势,成为无线传感器网络定位方法的新热点。本文首先提出了基于RSS的移动锚节点定位方法,不仅减少了锚节点的数量和能量消耗,而且提高了定位精度。其次,论文重点分析了Range-free定位算法中基于区域叠加的APIT（Approximate Point-in-triangulation Test）定位算法和基于泰森图的DV-Loc（Distributed Voronoi Localization）算法,及其存在的缺点,提出了一种性能较优的定位算法VBL（Voronoi Diagram-based Localization Algorithm）,该算法利用移动锚节点组成动态泰森图来确定未知节点所处的泰森多边形,通过多个泰森多边形的叠加来缩小未知节点所在区域,从而完成定位。通过仿真研究验证了所提出的方法相对于APIT和DV-Loc算法其具有较高定位精度、低通信开销、低计算量的性能。最后,本文还研究了针对移动传感器网络的定位方法,分析了一种应用于一类特定的移动传感器网络的定位算法EMAP（Extended Mobile Anchor Points）,及其在应用中的定位误差较大的缺陷,提出了一种基于几何约束的定位算法,该算法无需复杂的硬件设备和计算,经过仿真验证,该算法既降低了能量消耗又提高了定位精度,更适合于实际应用。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 无线传感器网络的研究现状

1.3 无线传感器网络的自身定位问题

1.4 论文的主要研究内容

第二章无线传感器网络定位技术

2.1 无线传感器网络简介

2.1.1 传感器节点结构

2.1.2 传感器网络的特点

2.2 无线传感器网络节点定位机制

2.2.1 基本概念和术语

2.2.2 无线传感器网络定位算法的分类

2.3 无线传感器网络身定位系统和算法的性能评价

2.4 典型的定位算法

2.4.1 基于测距（range-based）的定位算法

2.4.2 无需测距的（range-free）定位算法

2.4.3 基于移动锚节点的定位算法

2.5 本章小节

第三章基于RSSI 的移动锚节点的定位算法

3.1 移动锚节点定位算法的提出

3.1.1 移动锚节点算法的提出

3.1.2 基于移动锚节点定位方法的优点

3.2 基于RSSI 无需测距的移动锚节点定位方法

3.2.1 接收信号强度的模型

3.2.2 算法描述

3.2.3 精度分析

3.2.4 仿真研究

3.3 本章小结

第四章基于泰森图的区域叠加定位算法研究

4.1 接收信号强度-RSS

4.2 APIT 定位算法存在的问题

4.3 DV-LOC 算法分析

4.4 VBL 定位算法的提出

4.4.1 泰森图的定义

4.4.2 VBL 算法概述

4.4.3 VBL 定位算法的实现

4.4.4 VBL 汇聚算法的实现

4.5 仿真结果及分析

4.6 网络通信开销定量分析

4.7 本章小结

第五章移动传感器网络节点定位算法

5.1 传感器节点运动情况介绍

5.2 节点移动情况下的定位算法的提出

5.2.1 EMAP 算法介绍

5.2.2 EMAP 算法存在的问题及解决方法

5.3 基于几何约束的移动传感器网络定位算法的提出

5.4 仿真结果及分析

5.5 本章小结

第六章全文总结

6.1 本文的具体工作及创新点

6.2 无线传感器网络定位方法的展望

参考文献

致谢

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