基于无需测距的无线传感器网络节点定位算法研究

论文摘要

随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟,低成本、低功耗、多功能的微型传感器的大量生产成为可能。这些传感器在微小体积内通常集成了信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线通信形成的。由于其有着广阔的应用前景,同时很多相关的技术公司企业提供了一个很好的商业切入模式。因此,无线传感器网络的出现引起了全世界范围内的广泛关注。无线传感器网络的一个重要的功能就是能够在一定的空间和时间范围中,提供监测区域中的相关信息。在目前的一些无线传感器网络的应用中,例如目标跟踪和环境监测,都需要知道准确位置信息。事实上,在很多领域中,传感器节点位置信息的获取可以使传感器提供的信息价值显著提高。在目前的应用中,大部情况下布置的传感器节点是静态的,传感器节点位置信息可以在网络配置时测量,或者通过给每个节点配置全球定位系统(GPS)来获取。但是,考虑到网络成本和网络布置的局限性,这些方法是不可行的。因而,传感器节点定位算法成为目前研究的重点。在典型的传感器网络模型中,仅仅只有少部分的传感器节点可通过GPS或者其它技术可获取自身的位置信息,而剩余的大部分传感器节点需要通过定位算法去计算位置信息。目前应用于传感器网络的定位算法可以分为基于测距的和无需测距的定位算法。前者通过RSSI,TOA,TDOA等技术去测量相邻节点间的实际距离或方位来计算未知节点的位置,但是节点成本高,硬件复杂,同时测量效果又受环境因素的影响。而后者由于无需测距,能在一定定位精度条件下大大简化硬件设备,同时具有较好的能效性。本文讨论了无需测距定位算法中的几种典型算法的原理和特点,并对APIT算法和ROCRSSI算法进行仿真分析比较。提出了一种基于无需测距的分布式特点的无线传感器网络定位算法——多坐标系下的分布式定位算法。该算法是一种无需测距的分布式定位算法,传感器节点能在整个网络初始化的过程中估计出自身的大致位置。在该算法中,普通节点通过监听少数能提供地理位置信息的锚节点的广播信息,在多坐标系统下确定多个自身所处的大致区域,并将重叠区域的几何中心作为节点自定位的大致位置。该算法不需要专门用于测距的硬件设备,普通节点仅仅依靠周围锚节点广播信息就能估计出自身的位置。在此算法中普通节点间无需进行信息传递,因此能效性较好。仿真结果也表明,该算法具有较为理想的定位精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络
• 1.2 无线传感器网络的研究进展
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 无线传感器网络及其节点定位技术概述
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络的概念
• 2.1.2 无线传感器网络的系统架构
• 2.1.3 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.4 无线传感器网络的特征
• 2.1.5 无线传感器网络的相关应用
• 2.2 无线传感器网络定位问题概述
• 2.2.1 无线传感器网络节点定位的研究内容
• 2.2.2 名词定义
• 2.2.3 无线传感器网络中计算节点位置的基本方法
• 2.2.4 无线传感器网络定位算法分类
• 2.2.5 节点定位算法性能评价指标
• 2.3 本章小结
• 第三章 典型无需测距的定位算法分析
• 3.1 无需测距的定位算法
• 3.1.1 质心算法
• 3.1.2 APIT算法
• 3.1.3 ROCRSSI定位算法
• 3.2 无需测距定位算法的仿真实现
• 3.2.1 APIT算法的仿真实现
• 3.2.2 ROCRSSI算法的仿真实现
• 3.2.3 APIT算法和ROCRSSI算法的仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于多坐标系的分布式定位算法
• 4.1 概述
• 4.2 基于多坐标系的分布式定位算法原理
• 4.2.1 算法基本原理
• 4.2.2 算法拓展
• 4.3 算法仿真结果和性能分析
• 4.3.1 算法仿真结果
• 4.3.2 算法性能分析
• 4.3.3 与APIT算法和ROCRSSI算法的仿真比较分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 在校期间发表的论文
• 致谢