無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)信標(biāo)輔助節(jié)點(diǎn)定位方法研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新世紀(jì)最重要的信息獲取技術(shù)之一,它在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各研究分支中,定位技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的支撐技術(shù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)必須與位置相結(jié)合,離開(kāi)位置信息,感知數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的,并且使用傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息能夠節(jié)約能耗,提高路由效率,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲玫?。然?給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均安裝GPS收發(fā)器或

2、者人工配置節(jié)點(diǎn)位置會(huì)受到成本、功耗、效率等問(wèn)題的限制,甚至在某些場(chǎng)合可能無(wú)法實(shí)現(xiàn),因此必須采用一定的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)定位,即開(kāi)展適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的定位技術(shù)研究。
　　 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能提高和實(shí)用性保證具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,利用移動(dòng)信標(biāo)發(fā)射的虛擬信標(biāo)代替固定信標(biāo),輔助未知節(jié)點(diǎn)定位可以很大程度上減少建網(wǎng)成本。為此,本文以移動(dòng)信標(biāo)輔助節(jié)點(diǎn)定位研究為主題,結(jié)合理論研究和計(jì)算機(jī)仿真等手段,在節(jié)點(diǎn)定位算法

3、和移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方面展開(kāi)研究。論文主要工作如下:
　　 (1)在基于測(cè)距技術(shù)節(jié)點(diǎn)定位算法方面,研究提出了一種基于虛擬信標(biāo)優(yōu)化選擇的移動(dòng)信標(biāo)輔助節(jié)點(diǎn)定位方法。本方法利用一個(gè)移動(dòng)信標(biāo)在傳感器區(qū)域內(nèi)按照高斯馬爾科夫移動(dòng)模型移動(dòng),并周期性地廣播包括位置等信息的虛擬信標(biāo)包,普通節(jié)點(diǎn)接收感知范圍內(nèi)的信標(biāo)包?？紤]到虛擬信標(biāo)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的距離和位置拓?fù)潢P(guān)系對(duì)定位精度的影響,提出了一種基于CRLB(Cramer-RaoLowerBound)的信標(biāo)

4、優(yōu)化選擇算法,未知節(jié)點(diǎn)選擇最佳的虛擬信標(biāo)參與節(jié)點(diǎn)位置估計(jì),提高節(jié)點(diǎn)定位精度。通過(guò)對(duì)該方法在不同信標(biāo)移動(dòng)時(shí)間、不同虛擬信標(biāo)間距、不同環(huán)境下的定位精度和定位覆蓋率進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明該方法具有較好的定位性能。
　　 (2)在無(wú)需測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位算法方面,研究提出了一種基于幾何約束的節(jié)點(diǎn)定位算法,避免了測(cè)距誤差對(duì)定位精度的影響,減少了計(jì)算和通信開(kāi)銷。該算法利用一個(gè)移動(dòng)信標(biāo)在傳感器區(qū)域內(nèi)按照隨機(jī)方向移動(dòng)模型移動(dòng),并周期性地廣播包括前一

5、位置、當(dāng)前位置和后一位置等的信息包；普通節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)連續(xù)收到的虛擬信標(biāo)序列中的第一個(gè)和最后一個(gè)信標(biāo)信息,選擇有效虛擬信標(biāo)組中距離較近的信標(biāo)組合,將通信圓重疊區(qū)域質(zhì)心作為節(jié)點(diǎn)位置估計(jì),避免了測(cè)距誤差。通過(guò)對(duì)該算法的仿真分析,結(jié)果表明本算法相對(duì)于Ssu算法和Lee算法具有較好的定位精度,對(duì)于環(huán)境因素的影響較小,具有計(jì)算和通信開(kāi)銷小等特點(diǎn),適合于低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 (3)在移動(dòng)信標(biāo)路徑規(guī)劃方面,考慮到信標(biāo)移動(dòng)路徑和廣播位置對(duì)

6、定位性能具有很大的影響,提出了兩種新的路徑規(guī)劃方法:KCSP(K-CoverageStaticPath)和VFDP(VirtualForceDynamicPath)。KCSP方法根據(jù)K-Coverage思想確定虛擬信標(biāo)點(diǎn)位置,使之能將傳感器區(qū)域覆蓋至少3次,然后用蟻群算法獲取遍歷虛擬信標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑。VFDP方法在移動(dòng)信標(biāo)上配置定向發(fā)射天線和全向接收天線,根據(jù)當(dāng)前位置感知范圍內(nèi)不同波束角區(qū)域中的未知節(jié)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)信標(biāo)的虛擬力來(lái)決定下一位置。

7、仿真結(jié)果表明KCSP方法能獲取最佳的虛擬信標(biāo)部署和較短遍歷路徑,較大程度降低系統(tǒng)能耗,適合于均勻部署的傳感器區(qū)域；VFDP方法能根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布確定最佳的移動(dòng)信標(biāo)發(fā)射位置,具有良好的自適應(yīng)性,避免無(wú)節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的遍歷,適合非規(guī)則部署的傳感器區(qū)域。
　　 (4)在節(jié)點(diǎn)定位算法實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)方面,為了更好地研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)方面的特性,分析提出的算法在實(shí)際系統(tǒng)中的性能,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)節(jié)點(diǎn)定位原型系統(tǒng)。系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)選用CC2