無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位系統(tǒng)及其算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量隨機(jī)分布的,集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。近年來,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了飛速發(fā)展,在工農(nóng)業(yè)、軍事國防、環(huán)境監(jiān)測等許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個全新的研究領(lǐng)域,向科技工作者提出了大量具有挑戰(zhàn)性的課題,節(jié)點(diǎn)自定位問題就是其中之一。實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自身定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)識別、監(jiān)控、跟蹤等眾多應(yīng)用的前提,節(jié)點(diǎn)自定位問題的研究已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)

2、域非常重要的一個研究方向。
　　 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)往往布設(shè)規(guī)模大且隨機(jī)布放,又因其能量有限,可靠性差,無線模塊的通信距離有限等諸多限制條件,對用于實(shí)現(xiàn)其自定位的相關(guān)技術(shù)和算法提出了很高的要求,使用常規(guī)的GPS方法定位或現(xiàn)場工程測量方法定位都是不恰當(dāng)?shù)摹?yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自定位系統(tǒng)須要適合其自身的特點(diǎn),通常要求具備自組織性、健壯性、能量高效性以及分布式計(jì)算等特性。
　　 本文的研究工作圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3、節(jié)點(diǎn)的自定位這一課題展開,在對近年來該領(lǐng)域所取得的研究成果進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與理解的基礎(chǔ)上,將研究目標(biāo)確定為探索在現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)硬件條件下,從算法研究的角度來解決節(jié)點(diǎn)的自定位問題。本文的主要貢獻(xiàn)包括以下內(nèi)容:
　　 1.在許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,為了便于計(jì)算及描述,往往將節(jié)點(diǎn)的布設(shè)區(qū)域抽象簡化為二維空間,也因此將節(jié)點(diǎn)自定位問題簡化在二維空間層面進(jìn)行解決。本文提出一個分布式的節(jié)點(diǎn)自定位系統(tǒng),適用于可將定位環(huán)境近似為二維平面的應(yīng)用場景,該

4、系統(tǒng)包含通常的三個定位步驟:①未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離估計(jì),②未知節(jié)點(diǎn)初步自定位計(jì)算,③未知節(jié)點(diǎn)位置求精計(jì)算。與以往的分布式節(jié)點(diǎn)自定位系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)初步自定位計(jì)算階段及位置求精計(jì)算階段所使用的算法上面進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究工作:
　　 (1)在節(jié)點(diǎn)初步自定位計(jì)算階段提出使用算法組合Min-max+LI來確定節(jié)點(diǎn)的位置。Min-max算法是既有的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位計(jì)算的經(jīng)典算法,LI算法(平面距離交會算法)是原應(yīng)

5、用于工程測量領(lǐng)域的平面控制點(diǎn)加密算法,兩種算法的組合使用可互補(bǔ)其在定位計(jì)算中的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　 (2)在節(jié)點(diǎn)位置求精計(jì)算階段提出使用SD算法(最速下降算法),將節(jié)點(diǎn)位置求精過程轉(zhuǎn)化為求非線性方程組最優(yōu)解的過程來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
　　 以理論分析結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的方式論證所提出的系統(tǒng)的可行性與有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,綜合考量定位精度、定位覆蓋率、計(jì)算量、通信負(fù)荷等方面,本文提出的系統(tǒng)優(yōu)于一些前人研究中提出的典型的分布式節(jié)點(diǎn)自定位系統(tǒng)。<

6、br>　　 2.針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自定位問題,盡管已經(jīng)提出了多種解決方案,但這些方案多數(shù)是將傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)區(qū)域假設(shè)或簡化為二維平面來進(jìn)行設(shè)計(jì)和評估的。本文分析了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在三維空間自定位的必要性,并就定位系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)及算法使用方面進(jìn)行創(chuàng)新性研究:
　　 (1)文中論述了使用移動信標(biāo)節(jié)點(diǎn)布設(shè)機(jī)制的優(yōu)越性,提出一個采用空載的移動信標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信號覆蓋的節(jié)點(diǎn)三維自定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)的運(yùn)作模

7、式為:布設(shè)于應(yīng)用區(qū)域內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)被動地接收由空載的移動信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的UWB信號來獲取定位所需信息,并藉此采用TOA測距技術(shù)測量其與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的空間距離,而后使用基于距離測量的三維位置計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)分布式的自定位。
　　 (2)提出采用原應(yīng)用于工程測量領(lǐng)域的空間控制點(diǎn)加密算法--SDI算法(空間距離交會算法)作為系統(tǒng)中使用的三維位置計(jì)算算法,來實(shí)現(xiàn)分布式的節(jié)點(diǎn)三維自定位計(jì)算。
　　 論述了所提出的定位系統(tǒng)模型的一些特點(diǎn)及優(yōu)

8、點(diǎn),并以理論分析結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)的方式論證使用SDI算法實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)三維自定位的可行性與有效性。依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,主要可得出兩方面的結(jié)論:一方面是SDI算法對測距誤差敏感,在測距精確的情況下是一種表現(xiàn)良好的三維位置計(jì)算算法,因?yàn)閁WBTOA測距技術(shù)可提供精確的空間測距,故本文提出的定位系統(tǒng)整體可獲得良好的定位表現(xiàn)；另一方面是當(dāng)測距誤差較大時(shí),SDI算法在高程定位精度方面優(yōu)于其他兩種典型的位置計(jì)算算法Lateration與Min-m