無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Anchor-Independent定位算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及現(xiàn)代傳感器、微電子、無線通信、嵌入式計(jì)算、分布式信息處理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，以數(shù)據(jù)為中心，具有自組織、自調(diào)節(jié)特點(diǎn)，是構(gòu)建普適計(jì)算新環(huán)境、實(shí)現(xiàn)普適控制的新興交叉研究領(lǐng)域，可廣泛用于軍事、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健、空間探索及其他各種商業(yè)應(yīng)用。節(jié)點(diǎn)位置信息對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，不僅是監(jiān)測(cè)應(yīng)用進(jìn)一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)，而且還是目標(biāo)跟蹤、輔助路由、網(wǎng)絡(luò)管理等其他關(guān)鍵技術(shù)研究/實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
　　 本文面向控制學(xué)科的前沿研究

2、方向——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的理論與技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)典型的Anchor-Dependent定位技術(shù)定位精度受錨節(jié)點(diǎn)密度影響、在危險(xiǎn)/惡劣環(huán)境中存在應(yīng)用局限性等特點(diǎn)，基于幾何方法、重復(fù)優(yōu)化技術(shù)、圖論、粒子群優(yōu)化等計(jì)算方法，從相對(duì)定位與基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位兩方面開展Anchor-Independent定位算法與應(yīng)用技術(shù)研究。作為一項(xiàng)具有創(chuàng)新性意義的工作，論文在研究方法與思路上力求有所突破，主要研究成果包括如下四個(gè)方面：
　　 ①基于OK

3、分簇算法，提出了面向相對(duì)定位的K跳分簇算法(EOK)。在相對(duì)定位算法中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)分簇是降低測(cè)距累積誤差、提高定位收斂速度、增強(qiáng)定位擴(kuò)展性的有效方法。EOK通過設(shè)計(jì)綜合節(jié)點(diǎn)連通度和剩余能量制定加權(quán)隨機(jī)選擇簇頭選擇策略、基于功率控制設(shè)計(jì)鄰居簇頭合并機(jī)制、節(jié)點(diǎn)簇優(yōu)化措施，滿足相對(duì)定位應(yīng)用對(duì)簇頭數(shù)量、節(jié)點(diǎn)簇重疊度、節(jié)點(diǎn)簇坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等方面的獨(dú)有要求。相比OK算法，EOK算法提高了簇頭選擇的針對(duì)性，降低了簇頭數(shù)量，可有效控制簇重疊度，確保節(jié)點(diǎn)簇坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

4、率100％。
　　 ②基于EOK算法，提出了基于分簇的分步求精相對(duì)定位算法(SRRLC)。相對(duì)定位算法無需錨節(jié)點(diǎn)參與，定位精度不受錨節(jié)點(diǎn)密度影響，是典型的Anchor-Independent定位算法。SRRLC分為初定位、定位優(yōu)化、局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換三個(gè)階段：在初定位階段，提出基于RSSI測(cè)距的加權(quán)質(zhì)心定位算法(WCL-RSSI)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)初定位，基于點(diǎn)著色理論的頻點(diǎn)分配算法，消除隱藏終端對(duì)簇邊界節(jié)點(diǎn)測(cè)距的影響，并通過參考節(jié)點(diǎn)精選機(jī)制

5、、參考節(jié)點(diǎn)組合精選策略等策略，降低了測(cè)距誤差對(duì)算法的影響，提高定位初值精度。迭代優(yōu)化階段中，基于SMACOF技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)位置迭代優(yōu)化，綜合測(cè)距距離與定位誤差等因素構(gòu)建優(yōu)化權(quán)值函數(shù)，加快迭代收斂速度，提高算法定位精度。相比典型的相對(duì)定位算法，SRRLC對(duì)測(cè)距誤差具有較高的適應(yīng)性，具有較高的定位精度，在算法收斂速度、通信開銷、定位覆蓋率等指標(biāo)上具有優(yōu)勢(shì)，更適合節(jié)點(diǎn)大規(guī)模布設(shè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　 ③提出了基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的粒子群優(yōu)化定

6、位算法(PLBMA)。在很多危險(xiǎn)/惡劣環(huán)境中，無線信道損耗模型參數(shù)未知，無法直接基于RSSI測(cè)距定位。因此，PLBMA將無線信道損耗模型未知環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)定位問題抽象為非線性約束優(yōu)化問題，構(gòu)建加權(quán)定位目標(biāo)函數(shù)，并采用粒子群優(yōu)化策略進(jìn)行節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位。為減小網(wǎng)絡(luò)定位成本，降低定位精度對(duì)錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的依賴，利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)典型算法中的靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域網(wǎng)格劃分，采用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)采用掃描線最短完全遍歷路徑，確保虛擬錨節(jié)點(diǎn)完全覆蓋網(wǎng)絡(luò)區(qū)域

7、。PLBMA算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，可調(diào)參數(shù)少，通過多次迭代尋優(yōu)，可有效提高算法定位精度、增強(qiáng)對(duì)環(huán)境噪聲干擾的適應(yīng)能力，拓展了Anchor-Independent定位技術(shù)應(yīng)用適應(yīng)性。
　　 ④面向典型危險(xiǎn)/惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的共性特點(diǎn)，構(gòu)建Anchor-Independent定位應(yīng)用原型系統(tǒng)——基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多模態(tài)監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)。針對(duì)多移動(dòng)Sink網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了面向混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議；集成PLBMA算法與Pioneer3

8、智能移動(dòng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于PLBMA算法的事件定位策略；實(shí)現(xiàn)了便攜式指揮、事件定位、環(huán)境信息感知、移動(dòng)用戶生理信息監(jiān)護(hù)、多模式交互(語音、圖像、文字等方式)等5大功能。該系統(tǒng)通過集成802.11g與802.15.4通信協(xié)議、構(gòu)建多移動(dòng)Sink網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、結(jié)合智能移動(dòng)平臺(tái)，豐富和拓展了傳統(tǒng)的靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)用化做出了探索性嘗試。
　　 本文深入的開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Anchor-Indepen