無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于彈簧模型的定位算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由眾多能量受限、計算能力受限、存儲受限的傳感器節(jié)點組成。它實現(xiàn)了將物理信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使用于眾多的應(yīng)用場合，如環(huán)境監(jiān)測、人體健康監(jiān)測、目標跟蹤、交通控制等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身系統(tǒng)的研究包括網(wǎng)絡(luò)路由、數(shù)據(jù)融合、拓撲控制等等。絕大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及自身系統(tǒng)研究需要傳感器節(jié)點的位置。因此，進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究是非常重要的。
　　 大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在很多應(yīng)用場合是需

2、要的，比如用于月球車導(dǎo)航的月球傳感器網(wǎng)絡(luò)中。如何降低節(jié)點的計算復(fù)雜度、通信復(fù)雜度和時間復(fù)雜度是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的一大問題。為了解決這一問題，該論文提出了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的彈簧模型，以及基于彈簧模型的定位算法(LASM算法)。該算法可以在保持網(wǎng)絡(luò)定位精度的前提下降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度。該算法通過模擬物理彈簧系統(tǒng)的動態(tài)變化，來計算節(jié)點的位置坐標。各傳感器節(jié)點虛擬為具有質(zhì)量的粒子，粒子間用彈簧相連。當(dāng)外力將粒子設(shè)置到一個隨機位置后，粒子

3、間的彈簧將做相應(yīng)的拉伸/收縮，在彈力的作用下，粒子將最終運動到它的初始位置。通過模擬粒子運動的每個狀態(tài)及相應(yīng)的彈力，可求得無線傳感器節(jié)點的坐標。網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點的復(fù)雜度為O(1)，即單個節(jié)點的復(fù)雜度不隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大而增加，這在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中具有很好的應(yīng)用前景。
　　 有些傳感器網(wǎng)絡(luò)具有計算存儲能力低，節(jié)點動態(tài)加入/離開等特性。為了適應(yīng)上述特性，該論文在LASM算法的研究基礎(chǔ)上又提出一系列衍生算法。提出一個更簡單的迭代算法，用于降

4、低每次迭代的計算和存儲量;提出LASM算法的三個補丁算法，用于處理局部極值、剔除壞節(jié)點和處理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)變化。仿真結(jié)果表明節(jié)點的計算、通信復(fù)雜度在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時仍然保持常量。由于算法在節(jié)點中并行運行，節(jié)點計算步數(shù)不隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化而變化，所以時間復(fù)雜度也保持常量。
　　 實際地理環(huán)境會影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的運行性能。該論文考慮了這一因素，分析了節(jié)點使用RSSI(接收信號強度指示)的測距誤差，并提出了相應(yīng)的處理辦法。該論文著

5、重關(guān)注RSSI理論模型的參數(shù)誤差和鄰居節(jié)點間存在障礙物干擾的誤差?；趯@兩類誤差的分析，提出了RSSI理論模型參數(shù)的在線修改方法和降低小障礙物干擾的方法。理論分析和實際仿真表明，該方法在障礙物較小情況下可以降低定位誤差。
　　 提出了上述定位算法的一個應(yīng)用：基于定位信息的能量高效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首節(jié)點選擇的算法。該算法在選擇首節(jié)點時綜合考慮了如下三個方面：候選首節(jié)點自身的剩余能量，網(wǎng)絡(luò)總能量消耗，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量的均衡性。為了適應(yīng)目

6、前存儲能力和計算能力均有限的傳感器節(jié)點，該算法同時設(shè)計了相應(yīng)的簡化模型。仿真結(jié)果表明新的首節(jié)點選擇算法能降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，從而延長所有節(jié)點正常工作時間。
　　 為了測試定位算法性能及網(wǎng)絡(luò)通信能力，該論文設(shè)計并實現(xiàn)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)原型。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由普通傳感器節(jié)點和iPhone/iPod Touch節(jié)點組成。其中，普通傳感器節(jié)點用于采集數(shù)據(jù)、運行定位算法；iPhone智能手機用于為普通傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送任務(wù)、獲取定位數(shù)據(jù)和顯