基于最小二乘和支持向量機(jī)的WSN節(jié)點(diǎn)定位方法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)作為一種新興的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù),被認(rèn)為是二十一世紀(jì)改變世界的十大新技術(shù)之一,具有非常廣闊的應(yīng)用前景。定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐技術(shù)之一,傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自定位是提供監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置信息的前提。實(shí)現(xiàn)高效、可靠、準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)定位對(duì)目標(biāo)跟蹤及提高路由效率具有重要的意義,是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究中迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。目前普遍研究的節(jié)點(diǎn)定位算法一般是在二維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的,與實(shí)際三維環(huán)境下的應(yīng)用還有較大的差距。因此,

2、三維節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)成為了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)和前沿課題。最小二乘定位算法此前一直是作為經(jīng)典的二維節(jié)點(diǎn)定位算法,而把最小二乘二維定位算法擴(kuò)展到三維定位具有重大意義和應(yīng)用價(jià)值。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容,重點(diǎn)研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。在研究了經(jīng)典的最小二乘二維節(jié)點(diǎn)定位算法的基礎(chǔ)上,把它擴(kuò)展到了三維,并且針對(duì)經(jīng)典算法易受測(cè)距誤差影響的不足,結(jié)合支持向量回歸機(jī)較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和泛化能力的優(yōu)點(diǎn),研究了基于最小二乘支持向量

3、機(jī)的三維節(jié)點(diǎn)定位算法,大大提高了在測(cè)距誤差較大的三維環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的定位精度。本文所作的主要研究工作如下:
　　1、查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)后,綜述了國(guó)內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò),尤其是節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀,總結(jié)出了幾種主要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的特點(diǎn)和分類,并根據(jù)這些不同定位技術(shù)的分類及特點(diǎn),選用了基于測(cè)距的含錨節(jié)點(diǎn)定位方法作為本文的研究方向。
　　2、分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的原理,探討了定位算法全方位的六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),它們分別

4、是:定位誤差、錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、適用規(guī)模、節(jié)點(diǎn)密度、功耗、容錯(cuò)性。其中定位誤差是大多數(shù)定位技術(shù)的首要評(píng)價(jià)指標(biāo),降低定位誤差提高定位精度是研究各種新型節(jié)點(diǎn)定位算法的重要目標(biāo),本文正是為了改善最小二乘三維節(jié)點(diǎn)定位算法的定位誤差提出了一種新的基于最小二乘支持向量機(jī)的三維節(jié)點(diǎn)定位算法。
　　3、以經(jīng)典的最小二乘二維定位算法為研究對(duì)象,研究了最小二乘二維節(jié)點(diǎn)定位的原理,數(shù)學(xué)模型,并從最小二乘二維節(jié)點(diǎn)定位的數(shù)學(xué)模型著手將其從二維擴(kuò)展到了三維。在Ma

5、tlab7.0仿真軟件下編寫了最小二乘二維和三維節(jié)點(diǎn)定位算法,并分別進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)定位的仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了最小二乘定位理論從二維向三維擴(kuò)展的可行性。
　　4、針對(duì)最小二乘定位算法容易受節(jié)點(diǎn)測(cè)距誤差影響、在不同的環(huán)境下適應(yīng)性差的不足,提出了一種基于最小二乘支持向量機(jī)的三維定位算法。特別地在對(duì)本算法的核函數(shù)參數(shù)、定位區(qū)域的網(wǎng)格劃分寬度的尋優(yōu)過程進(jìn)行大量的研究和實(shí)驗(yàn),提出了一種結(jié)合“實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的窮舉法”求參方法,借助軟件Matlab7.0進(jìn)行了

6、算法的仿真分析。仿真結(jié)果表明,所求參數(shù)使最小二乘支持向量機(jī)的三維節(jié)點(diǎn)定位算法達(dá)到了良好的定位精度。
　　5、在理論分析和仿真分析基礎(chǔ)上,進(jìn)行了真實(shí)環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)最小二乘支持向量機(jī)三維節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到了低于10％的定位誤差率,表明本算法有良好的實(shí)際效果和較高的實(shí)用價(jià)值。
　　6、為了論證最小二乘支持向量機(jī)三維節(jié)點(diǎn)定位算法相對(duì)于最小二乘三維節(jié)點(diǎn)定位算法的優(yōu)越性,對(duì)兩種算法進(jìn)行了定位誤差回歸

7、分析和比較分析。回歸分析表明:后者的定位誤差基本跟節(jié)點(diǎn)測(cè)距誤差成線性關(guān)系,而前者的定位誤差跟節(jié)點(diǎn)測(cè)距誤差成非線性關(guān)系。比較分析表明:在較低的測(cè)距誤差環(huán)境下兩種定位算法的定位誤差相近;但是在測(cè)距誤差超過16%的環(huán)境中,新的算法能大大提高定位精度,相比傳統(tǒng)的最小二乘定位算法平均能降低25%的定位誤差,甚至最高能降低50%的定位誤差。
　　綜上所述,論文把理論研究、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)進(jìn)行了深入的研究