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1、硕士论文无线传感器网络定位算法的研究 目录 摘要。I A b s t r a c t I I 1 绪论。1 1 1 研究背景及意义:l 1 2 无线传感器网络简介2 1 2 1 无线传感器网络的起源与发展2 1 2 2 无线传感器网络体系结构。2 1 2 3 无线传感器网络的特点与应用3 1 2 4 无线传感器网络的关键技术与挑战4 1 2 5 国内外研究现状:5 1 3 课题研究的主要内容8 2 无线传感器网络定位技术9 2 1 无线定位技术9 2 1 1 传统定位技术9 2 1 2 传感器网络定位技术。1 0 2 1 3 传感器网络定位特性1 l 2 2 测距方法。1 1 2 2 1 到达
2、角度方法1 2 2 2 2 到达时间方法1 2 2 2 3 到达时间差方法:1 2 2 2 4 基于接收信号强度的方法1 3 2 3 定位技术基本原理1 3 2 3 1 三边定位法1 4 2 3 2 三角定位法1 4 2 3 3 边角定位法1 5 2 3 4 极大似然估计法1 5 2 3 5 质心法1 6 2 4 无线传感器网络定位技术的研究现状16 2 5 本章小结一1 6 3 无线传感器网络自身定位算法1 8 3 1 定位系统和定位算法性能指标1 8 I 目录硕士论文 3 2 无线传感器网络定位算法分类1 9 3 2 1 基于测距的定位和无需测距的定位:1 9 3 2 2 绝对定位与相对定
3、位。1 9 3 2 3 集中式计算与分布式计算2 0 3 2 4 紧密耦合与松散耦合2 0 3 2 5 粗粒度与细粒度。2 0 3 3 无线传感器网络经典定位算法和定位系统2 0 3 3 1 质心定位算法2 0 3 3 2D V - H o p 定位算法。2 1 3 3 3A m o r p h o u s 定位算法2 1 3 3 4A P I T 定位算法2 1 3 3 5M D S M A P 定位算法2 2 3 3 6R o b u s t p o s i t i o n 定位算法2 3 3 3 7R A D A R 定位系统。2 3 3 3 8C r i c k e t 定位系统。2
4、3 3 4 定位算法小结2 3 3 5 本章小结- 2 5 4 基于R S S I 校验的无线传感器网络定位算法研究2 6 4 1 无线电传播路径损耗模型2 6 4 1 1 无线电信号室内传播特点枷。2 6 4 1 2 无线电信号传播路径损耗模型分析,2 6 4 2 基于R S S I 校验的三角形质心定位算法2 9 4 2 1 基于R S S I 的距离校正计算2 9 4 2 2 三角形质心定位算法:。3 0 4 2 3 基于R S S I 校验的三角形质心定位算法过程3 1 4 2 4 误差定义3 2 4 3 实验及结果分析3 2 4 4 本章小结:。3 4 5D V - H o p 改进
5、算法研究3 5 5 1D V - H o p 定位算法介绍3 5 5 1 1 距离矢量交换阶段3 5 5 1 2 校正值计算与广播阶段3 6 5 1 3 坐标值计算阶段3 6 5 1 4 相关问题分析3 8 I V 硕士论文无线传感器网络定位算法的研究 5 2D V - H o p 定位算法的仿真实现3 9 5 2 1 算法流程图3 9 5 2 2 网络参数模型3 9 5 2 3 算法仿真与分析4 0 5 3D V - H o p 改进算法。4 3 5 3 1 改进算法的基本思想。4 3 5 3 2 改进算法流程图4 4 5 4D V - H o p 改进算法的仿真实验及结果分析4 5 5 5
6、 本章小结。_ 4 8 6 结论与展望5 0 6 1 工作总结J 5 0 6 2 研究展望。5 0 致谢5 2 参考文献5 3 附录6 0 V 硕士论文无线传感器网络定位算法的研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 无线传感器网络( W S N 。W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k ) 集传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术及微电子技术等多项技术于一身,通过 各种类型的微型传感器对目标信息进行实时监测,之后由相应的嵌入式计算元件对检测 信息进行处理,信息处理之后通过无线通信网络被传送给远程需求用户。随着时代的发 展
7、,W S N 技术受到越来越多的关注,2 0 0 3 年,W S N 被美国的技术评论杂志论述为 第一项未来的新兴技术;2 0 0 4 年,( I E E ES p e c t r u m ) ) 杂志上发表的传感器的国度专 辑中也论述了W S N 的发展和应用。大量的研究工作慢慢展开,尤其是在最近的几十年 中,世界各国各行各业都对其产生了极大的兴趣。可以预见,W S N 的发展和应用即将 在不久的将来对人们的生产生活以及社会产业产生无法估量的巨大推动【l 】。人类也必将 在W S N 技术研究的道路上不断取得更加丰硕的成果,改变自身的整体生活质量。 W S N 的位置信息对监测活动起到关键作
8、用。表现在,传感器节点在执行监测任务 时所监测到的信息必须包含该事件的位置坐标这样才能为下一步采取相关措施奠定具 体位置基础,一般情况下,当监测数据不包含相应的位置信息时,这一监测结果将毫无 意义【2 】。正如在环境监测应用中对采集的环境信息所对应的具体区域位置要有一个明确 的界定;而对于某些突发事件我们必须知道其发生的具体位置才能采取相应的处理措 施,如需要知道火灾现场位置,煤矿灾害爆发的位置,被困灾区人员的具体位置,天燃 气管道泄漏的具体位置等。此外,传感器节点的定位,也可以定位跟踪,实时监控,对 目标轨迹进行实时预测,利用节点传回的位置信息建立网络的拓扑结构,管理网络,实 时统计网络覆盖
9、面积,以实现在网络节点不同密度地区采取不同策略等,传感器节点定 位的功能远不止这些,还需要不断的开发研究,为人类社会发展所用。在W S N 中,传 感器节点的自身定位是网络最基本的功能之一,没有位置信息的监测数据往往没有研究 与应用价值,这必然决定了W S N 自身定位功能在其应用领域中的至关重要的地位是无 可取代的。要想实现W S N 的基本功能,关键之一便是确定网络中传感器节点的位置信 息,而这一功能为W S N 应用进一步采取措施和做出相关决策奠定了基础。 在W S N 应用中,节点定位作为关键技术之一在整个W S N 体系中占据无可取代的重 要地位。通过历史分析不难发现,计算设备从整体
10、上朝着体积越来越小的方向发展,而 且人均占有量不断提高。顺应这二发展趋势出现的W S N ,在其发展过程当中,由于其 自身的先进性以及极具挑战性,引起了学术和工业界的广泛关注。W S N 节点定位问题 的研究,对于W S N 在应急场合、环境监测、仪器监控等领域的应用,都具有潜在的商 业研究价值,有待进一步的研究与实践应用。 l l 绪论 硕士论文 1 2 无线传感器网络简介 1 2 1 无线传感器网络的起源与发展 - f W S N 的研究工作可以追溯到2 0 世纪7 0 年代,D A R P A ( D e f e n s eA d v a n c e dR e s e a r c h P
11、 r o j e c t sA g e n c y ) 作为是W S N 研究早期的主要推动者,其研究的重点在于只能进行节点 间间简单点对点通信的传感器节点。后来研究人员开始从网络研究的角度重新阐释 W S N 的科学意义。不久之后的美国商业周刊将W S N 列为二十一世纪最重要的2 1 项技术之一。于是,W S N 开始受到越来越多的网络研究者的广泛关注。在无线通信和 微芯片制造等各项先进技术的不断进步的推动下,W S N 在不同应用领域的研究分别取 得不同程度的进展。更有美国著名周刊预测W S N 将成为不远的将来掀起产业浪潮的几 大信息技术之一,M r r 技术评论更是将W S N 列为
12、十种改变未来世界的新型技术之 首,美国的一些著名杂志及期刊纷纷刊登以及论述W S N 的应用与发展前景,有的杂志 更认为W S N 的应用与发展将会带来军事与战争技术变革。 世界许多发达国家都明显对W S N 研究兴趣很大,并已经开始在这一领域开展研究 工作。在中国,对我国在未来2 0 年的预测技术调查报告中,与W S N 直接相关的技术课 题就有七项,而在这一领域共有1 5 7 项技术课题,可见其不可小觑的重要分量j2 0 0 6 年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了包含两个与 W S N 研究直接相关的三个前沿方向。足见我国对传感器网络研究的重视,相关研究已 经在那
13、个时候提到日程上来,也必定激发研究者们的研究热情,为这一技术的研究起到 了巨大的促进作用。可见,国家开始重视对W S N 技术的研究。 正如W i l l i a mJ K a i s e r 教授所说:W S N 是- 1 “ 7 涉及多门学科和多项技术的,具有高 度综合性的交叉科学。以计算机科学的角度分析,W S N 在某种程度上代表了这一学科 未来发展的方向。在我国,对W S N 的研究以中科院为代表,正沿着以社会需求、战略 需求和应用需求,符合我国当今社会发展需求的特色路线,展开了W S N 各项关键技术、 实际应用、系统平台开发和新技术测试等各方面的研究。在国家的大力支持以及研究者
14、们不懈的努力下,我国已初步成功建立了自己的W S N 系统研究平台,在W S N 相关智 能应用领域、网络应用领域以及其他应用领域均取得了重大研究进展,对开展实际成果 的应用奠定了基础,于是一系列重要研究成果开始逐步投入生产当中。 1 2 2 无线传感器网络体系结构 W S N 体裂3 】的结构组成有:传感器节点( S e n s o rn o d e s ) 、汇聚节点( s i n kn o d e s ) 和管理 节点( C o n t r o ln o d e s ) 。 一个传感器网络中包含大量的传感器节点从而实现不同的工作任务,以保证整个网 络的正常工作,那么这些传感器节点是如何部
15、署的呢。通常情况下,W S N 节点被随机 2 硕士论文 无线传感器网络定位算法的研究 部署在监测区域内,对于不便布设节点的环境,往往将传感器节点部署在其附近,也是 通过随机部署实现。节点部署完成后在正常工作的情况下便可以通过自组织方式构成网 络,实现节点间的相互通信与数据的交换。传感器节点检测到的数据可以通过其他节点 继续往目的地传输,由于传感器节点数目较多,难免在传输过程中的监测数据可能会在 不同的传感器节点处被重复处理,数据最后被传输到S i n kn o d e s ,最后通过卫星以及网 络被传送到C o n t r o ln o d e s ,此时用户可根据需求通过C o n t r
16、 o ln o d e s 对网络进行配置或管 理,不断通过发布任务命令和收集需要数据完成控制管理。W S N 体系结构如下图所示。 图1 1 传感器网络体系结构示意图 。 无线传感器网络自身的特征决定了其硬件条件,网络中的节点都是体积较小的具有 通信能力,计算能力,处理存储能力的微型传感器,这些传感器节点通过携带能量有限 的电池进行工作供电,限制了传感器节点的各项工作能力,因此在研究其应用时就要针 对这一特点进行合理的功能配置,以满足其正常的工作要求。 1 2 3 无线传感器网络的特点与应用 W S N 与无线自组织网络存在着巨大差别,原因在于。W S N 中节点的密度较高、部署 规模较大以
17、及网络的自治性较高。W S N 与目前常见的无线网络如W L S N 、B l u e t o o t h 及 移动梦网等相比具有如下特点: ( 1 ) 自组织、自适应:由于W S N 节点的部署是具有随机性的,因此这就决定了这些 节点必须具有良好的自组织性,而不依赖于任何预设设备,主动快速的形成网络这就是 W S N 的自组织自适应特性。 , ( 2 ) 多跳路由:由于射频信号传播范围有限,因此节点只能与它的邻居直接通信, 也就是必须要通过多跳传输到管理节点。 ( 3 ) 能量受限:我们知道W S N 中的传感器节点处理能力、存储能力以及通信能力相 对较弱,而进行信息监测的传感器节点都是通过
18、携带电池为自身供应能量。无线传感器 3 I 绪论硕士论文 网络的功耗问题成为当今各领域相关研究的重点解决因素。 W S N 仍然属于当今社会的新型技术,并没有得到广泛的商业生产应用,也没有得到 广泛的军事战略应用,尽管如此,科学研究和科学实验方面却取得了一些成功的应用范 例。这也意味着,W S N 的应用潜能是巨大的,同时也反映了在未来社会发展中,W S N 的商业以及军事应用前景是良好的,值得期待。针对W S N 的应用范例,可以明确的集 中在以下方面【4 】:安全监控、智能家居、建筑结构健康监控、生态环境监测、医疗监护、 地震监测等。当然,对W S N 的研究仍然处于不成熟的阶段,因此其蕴
19、含的实际应用价 值暂时是无法估量的,有待进一步的研究与发现。 1 2 4 无线传感器网络的关键技术与挑战 W S N 已成为当今信息领域的研究热点,涉及跨学科的研究领域,与其密切相关的多 项关键技术仍然需要大量相关研究工作者的开发与更加深入的研究【5 】,就无线传感器网 络中的关键技术分别作出整体阐述如下: , 。 1 定位技术 定位技术发展到今天,已经出现可喜的研究成果,并被广泛应用到实际生活生产当 中,典型的应用就是G P S 定位系统,几乎所有电子产品都可以配备这项功能。而在W S N 中,定位技术的研究也正沿着更加宽广和日渐成熟的道路快速的前行。根据是否已知节 点的自身位置,无线传感器
20、网络中的节点被分为两种:信标节点( B 髓c n o d e s ) 和未知节 点( U n k n o w n n o d e s ) 。其中,已知自身位置信息的传感器节点称为信标节点,也叫做锚节 点;未知自身位置信息的传感器节点叫做未知节点。W S N 中的定位机制与定位算法主 要有节点自身定位和外部目标定位两种,其中,前者是后者的定位基础。 目前研究者针对不同的应用性能提出了许多不同的定位方法。考虑到实际的网络硬 件条件和W S N 定位算法的局限性,定位精度等定位性能将无法满足应用要求。本文重 点研究W S N 这一项关键应用技术,具体将在后续章节中研究,此处不再赘述。 2 拓扑控制、
21、 在W S N 中,网络拓扑结构直接关系到其应用功能的实现,良好的拓扑结构为网络 提供良好的工作效率,主要表现在对路由协议和物理层协议的影响,拓扑控制技术不是 网络中唯我独尊的存在,它必须与其他技术协同工作才能达到最优的控制效果,拓扑控 制既是W S N 研究的核心技术之一,也是协助其他关键技术顺利完成的辅助技术。合理 的拓扑控制可以有效节约网络能源,延长网络生命周期。无线传感器网络拓扑控制当前 的研究主要是针对去除多余通信链路,生成信息高效传输的最优拓扑结构进行。满足 W S N 应用对网络拓扑的更高要求,关系到整个网络应用功能的实现效率。 3 网络协议 : , 目前对W S N 通信协议的
22、研究主要集中在M A C 协议和路由协议上。由于网络中传 4 硕士论文无线传感器网络定位算法的研究 感器的拓扑结构以及网络资源均是不断变化的,因此,W S N 应用对路由协议提出了更 高的要求。为了在网络路由协议以及网络生存周期方面达到最优,必须考虑网络整体的 能耗问题,是整体能量消耗达到一个均衡的状态,从而为网络的其他关键技术提供更加 适合的应用环境,是整个W S N 网络处于良好的工作状态。 4 网络安全 考虑到W S N 可能经常部署在容易受到无关人员破坏的无监控环境内,由于频率、 振幅等特征参数相互匹配的信号在空间内传播时,能够很容易获得相互的传输信息,因 此网络中传输的无线电信号很可
23、能遭到不相关人员的截获,带来安全隐患,因此,针对 不同特性的网络以及不同应用环境的网络,要为其设计相应合理的安全机制以阻止传输 信息的中途泄漏。设计安全机制时可以通过数据加密,接入认证等技术实现。 5 时间同步 在W S N 中时间同步也是一个非常关键的机制,它要求所有功能协同进行工作,达 到通信各方的时间同步,更好的满足用户的应用需求。同样的要考虑其节能机制,时间 同步是为了在用到网络某项功能时通信双方同时处于激活的可通信状态,而在不需要运 矗 行这一功能时,恢复传感器节点的休眠状态,从而有效的节约了网络的能量消耗,为整 个网络的运行提供更长的工作寿命,是我们研究的重点。 6 数据融合 ,
24、在W S N 中,由于传感器节点采集到的数据具有很大的冗余性和时空关联性,寻找 一种合理的数据处理方法来完成在网计算,实现W S N 传感器的数据融合,减少网络通 信,提高网络能量效率和带宽效率显得尤为重要。因此,被W S N 研究列入重点研究内 i 。 容。 1 2 5 国内外研究现状 现在对无线传感器网络的大部分研究依然处于起步阶段,已经投入生产的少数产品 还不够成熟,具有很高的提升空间。近年来,在其他信息技术发展的大力推动下,W S N 得到迅猛发展,也因此看N T 其在许多领域的广泛应用前景【6 】。国外己建立了大量演示 系统来加快W S N 的实际应用迸程,与此相关的研究成果有W I
25、 N S 、S m a r tD u s t 和 P i o o R a d i o 等。随着W S N 研究的开展,国内许多高校和科研单位也纷纷在自己的研究中 取得了可喜的成绩,大量的研讨会议,交流会议开始对其进行探讨与交流,为今后的研 究做好准备,W S N 的研究领域也不断扩展。 近年来,W S N 的定位技术已得到广泛关注,由于W S N 自身独特的风格,使得其自 身的定位算法与传统的无线网络定位算法并不相同,研究者在对W S N 定位进行研究时 必须考虑到网络中传感器节点工作能力相对较小的特征,针对这些特征还要兼顾到 W S N 中数据处理的方式、节点间协议设计的自组织性、节点的鲁棒
26、性以及算法的收敛 l 绪论硕士论文 性等【刀。 无线定位技术的应用前景是非常广泛的,采用全球定位系统自然可以提供较为精确 的定位信息,但也受到成本高以及应用场合的限制【引。前面已经提到过,W S N 是一项集 多项先进技术于一体的综合性科学技术,无论在民用还是在军用方面都有着广阔的应用 前景。如医疗护理、农作物生长跟踪、环境监测以及军事探测等【9 , 1 0 。 从1 9 9 2 年A T & TL a b o r a t o r i e sC a m b r i d g e 开发出室内定位系统A c t i v eB a d g e 至今, 诸如R A D A R ,A c t i v eB
27、 a t ,A c t i v eo f f i c e 等一系列研究成果在研究人员的不懈努力与不 断创新的研究工作中相继呈现,这也证明,定位技术的潜在研究和应用价值是巨大的。 美国路特葛斯大学研究人员提出包含D V - H o p 、D V - d i s t a n c e 、E u e c l i d e a n 、 D V - c o o r d i n a t e 、D V - B e a r i n g 和D V - R a d i a l 共六种定位算法的分布式定位算法A P S ( A dH o c P o s t i o n i n gs y s t e m ) 。为了满足网
28、络较小的信标节点密度和降低测距误差对定位的影响, 加州大学洛杉矶分校提出了A H L o s 算法。二十一世纪初期加州大学伯克利分校的研究 人员们相继提出了T w o - p h a s eP o s i t i o n i n g 定位算法和N H o pM u l t i l a t e r a t i o np r i m i t i v e 定位 算法。许多优秀的算法不断被各国的研究人员提出,并且在各自适合的应用领域具有很 好的定位性能,但是每种算法都是针对某一特定问题提出的,因此只能是在解决其针对 的问题及应用时有比较好的定位效果。每种定位算法对传感器设备的要求也各不相同。 因此,总
29、体上W S N 定位算法具有自身的局限性以及有限的应用范围。但是其蕴含的巨 大应用价值必然引起世界各国学术、工业以及军事界的高度关注【l l 】。 2 0 0 3 年,美国自然科学基金委员会制定了W S N 研究计划,并以巨资扶助W S N 研 究项目的方式支持相关研究。不只是自然科学基金委员会,美国的许多社会机构和军事 机构也对W S N 的研究开始重视,如美国国防部设立了一系列军事传感器网络研究项目 ( C 4 K I S R 计划、S m a r tS e n s o rW e b 、灵巧传感器网络通信、传感器组网系统、网状传感 器系统C E C 等) ,高度重视W S N 的研究。美国
30、一些信息业的带头者也相继展开了W S N 方面的研究工作。世界许多发达国家也纷纷加入到对W S N 研究进行资助扶持的行列, 充分显示了对这一技术研究的高度重视,除了发达国家,其他各国紧随其后积极开展该 领域的研究工作【1 2 】。W S N 已经成为世界性的重点研究技术,必将在人类社会的发展中 起到巨大的推动作用。 在国内对W S N 定位算法的研究起步相对较晚,2 0 0 4 年相关研究人员指出了W S N 自定位问题的研究方向。在不断探索的道路上,马祖长等人随后提出了一种基于多跳的 改进型算法,改进之处主要体现在在距离的测量阶段采用跳数以及跳段距离等参数的计 算估计出距离值,代替实际的距
31、离测量,使得定位算法不收硬件条件的限制就能完成距 离的测量,实现可靠定位。一种可以同时对静止和移动物体进行准确定位的新型室内定 位系统被清华大学研制成功。目前我国的许多高校和科研机构掀起了W S N 的研究热潮 B 3 q T l 。国家“十五”科技攻关项目把W S N 列为国家重大研究项目,制度性的支持显而易 硕士论文无线传感器网络定位算法的研究 见,研究热情必然高涨。在W S N 自定位问题研究方向确定后的第三年国务院制定的国 家中长期科学和技术发展规划纲要中明确的将“传感器网络及智能信息处理”列入重 点研究领域及优先主题。 确定传感器节点位置信息不仅是为了实现对外部目标的追踪与准确定位,
32、也可以提 高网络的路由效率,可以向用户提供整个网络的相关信息,通过无线通信的管理使网络 拓扑合理配置。为了实现W S N 各项应用技术的顺利完成,使得网络降低对软硬件设备 的依赖,不再受到设备较低工作能力的限制,采用一定的网络机制与定位算法实现W S N 的自身定位成为必然【1 8 】。国内外学者已经对W S N 定位问题进行了大量的研究,在此基 础上提出了多种典型的定位算法【1 9 】,至今还是被广为研究的热点。这些典型定位算法普 遍存在以下的两方面的局限:依赖特殊硬件支持;需要特殊网络拓扑结构的支持【2 0 】。 现针对主流基于测距技术和无需测距的定位算法展开讨论。 基于测距技术( R a
33、 n g e B a s e d ) t :I 勺定位算法一般是通过测量节点之间的距离信息或角 度信息,然后使用三边测量( t r i l a t e r a t i o n ) 、三角测量( t r i a n g u l a t i o n ) 或者最大似然估计定位 方法来计算所求未知节点的位置,在此过程中常用的测距技术有:R S S I 2 ,T D O A 2 2 】, A O A t 2 3 】和T O A 2 4 1 。R S S I ( r e e e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 技术是利用无线信号的传
34、播损 耗模型首先将功耗根据一定的函数关系转换为距离,得到节点间的距离值,从而获得测 距结果,实现未知节点定位。比较典型的应用如R A D A R 2 5 】和S p o t o n 定位系统【2 6 】。R S S I 技术满足了低功率、低成本的网络定位要求,但满足不了定位算法的高精度要求,所以 定位系统的更佳方案是采用R S S I 技术与其他方法结合来综合测量,以便得到更高精度 的定位算法。此外,T O A ( t i m eo fa r r i v a l ) 技术根据达到时间确定节点之间的距离,在工 作过程中需要节点间精确的时间同步,如全球定位系统( G P S ) ;T D O A
35、( t i m ed i f f e r e n c eo n a r r i v a l ) 技术利用两种不同的传播信号进行信息的传输,在接收端接收到两种线号的到达 时间差,再根据这两种信号的传播速度计算节点间的距离,完成测距结果的获取。该方 法受到超声波传播距离有限的影响需要网络的密集部署才能达到更加合理的定位效果, T D O A 测距技术在有基础设施支持的系统中已经得到广泛应用,近年来也在不断努力应 用于无线传感器网络,例如A H L o S 2 7 】( A d H o eL o c a l i z a t i o nS y s t e m ) 和T P S 2 8 】定位系统等:
36、A O A ( a n g l eo fa r r i v a l ) 定位方法则是通过相邻节点间信号的传送方向来确定未知节点的 位置信息,因此也被称为到达角技术。A O A 定位技术本身工作原理要求其具有额外的 硬件支持,受到外界环境较大的影响,只适用于较小规模的W S N 。R a n g e - B a s e d 定位机 制主要是想达到降低测距误差对定位影响的目标,然而大量的算法均会消耗网络巨大的 计算量以及开销,因此此定位机制在定位精度上可取,在网络功耗及开销方面是不能满 足更高要求的。 无需测距( R a n g e F r e e ) l 拘定位算法根据网络连通性等信息实现网络节
37、点定位,如质 心定位、凸规划、D V - H o p 、M D S M A P 定位算法等【2 9 1 。 j 7 1 绪论 硕士论文 随着近年来研究的深入,W S N 自身定位问题出现了许多创新的解决思维与解决方 案,这些创新方案可以很好的解决W S N 的自身定位问题,但是由于定位方法与W S N 网络的应用环境密切相关,决定了W S N 中定位技术的一些问题的出现【3 0 】:大规模W S N 中误差积累:网络中所有节点的通信效率较低;定位中通信开销较大;满足低成本、低 功耗、高精度的定位算法较少:对W S N 中移动节点的研究较少;定位算法与实际应用 要求相结合较少。 1 3 课题研究
38、的主要内容 本文通过开展研究工作,主要针对W S N 中的定位算法以及定位精度提出改进方案 以及分析方法,对提出的方案进行仿真实验,验证其有效性。主要内容如下: 第一章:介绍本文研究的背景及意义,就W S N 问题研究的国内外现状做出总结, 介绍了W S N 体系的结构、特征以及关键技术,给出了W S N 可能的应用领域。最后对 本文研究的主要内容做出总体介绍。 第二章:本章属于课题研究的准备阶段,主要是对W S N 定位技术的相关理论知识 做出说明。首先是W S N 的基本概念,然后是网络定位中所应用的测距方法和定位原理, 最后是W S N 定位技术的研究现状。总之,本章的学习研究为后续研究
39、工作的开展奠定 了理论基础。 第三章:本章是对本重点研究内容的过渡。就现有定位算法和定位系统的定位性能 指标做出介绍,分别对现有的W S N 各种定位算法和定位系统的概念、原理以及现有研 究成果进行主要介绍,分析了现有的几种典型定位算法和定位系统,总结其各自的优缺 点并作出比较。 第四章:针对传统的三角形质心定位算法,在距离值的获取上采用R S S I 距离校验 法得到更为精确的距离测量值,实现最原算法的改进,得到更为有效的定位算法,得到 更好的定位性能。采用M A T L A B 7 0 进行仿真实验,验证改进算法的有效性。 第五章:在详细分析D V - H o p 定位算法的基础上,提出改
40、进方案,对原算法进行改 进。主要从D V o H o p 定位算法的三个阶段分析误差产生的原因,在该算法的第三阶段也 就是距离计算阶段采用正则化方法进行未知节点坐标的估计,与经典D V - H o p 定位算法 进行仿真对比,验证改进后定位算法的有效性。 第六章:对本文研究所做的工作进行总结,并对W S N 定位技术的进一步研究进行 了展望。 硕士论文无线传感器网络定位算法的研究 2 无线传感器网络定位技术 2 1 无线定位技术 无线定位技术是人类生产建设、道路安全和军用策略的重要手段,在定位导航系统 中发挥重要作用。定位技术是指获取在参考坐标系下物体的空间位置信息,对这项技术 的研究可追溯到
41、二战时期的军事应用,而在民用方面,对这项技术的研究开始于自动车 辆定位研究。美国联邦通信委员会( F C C ) 在1 9 9 6 年颁布的E 9 1 1 法令【3 ,对其在网络设 备以及手机中应用时的定位精度做出了明确规定。 在基于A d - h o e 网络技术之前,许多其他的网络定位技术被各种不同定位系统所采 用,这些定位技术属于传统的定位技术,根据对传统定位技术的学习了解,经过总结发 现,传统的定位系统主要由卫星定位系统【3 2 1 、无线电导航系统、蜂窝网无线定位系统【3 3 】 等系统组成。 自缸, 2 1 1 传统定位技术 传统的陆地无线电导航系统具有以下工作特点: 首先,在定位系统中将从提前建立的无线电信号发射基站处监测到的与多个位置己 知基站间信号的电参数转换成与之对应的定位参数,之后便可以采用相关的定位算法实 现且标定位。 继陆地无线导航系统之后出现了卫星定位系统,成为当今定位系统的主流之一。随 着对卫星定位系统的深入研究,一系列其子系统相继出现,按照出现的先后顺序它们分 别是子午仪卫星导航系统、G P S 系统、G L O N A S S 系统、伽利略卫星导航系统以及我国 的北斗
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