面向應用的無線傳感網(wǎng)絡定位問題研究.pdf

1、由于具有廉價性、魯棒性和自組織性等一系列優(yōu)點，無線傳感網(wǎng)絡在軍事國防、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療衛(wèi)生等領域都有著廣泛的應用前景。在無線傳感網(wǎng)絡中，位置信息對傳感節(jié)點的監(jiān)測活動至關重要，沒有位置信息的監(jiān)測報告通常毫無意義。由此可見，節(jié)點定位是傳感網(wǎng)絡最基本的功能之一，對傳感網(wǎng)絡的實際應用性起著至關重要的作用。
　　 在過去十年中，國內外研究學者針對不同應用場景提出了一系列節(jié)點定位算法。但是它們中的大部分在實際系統(tǒng)應用方面還存在很多問

2、題：定位信息存在偏差、算法擴展性差、定位精度低、消息復雜度高和能量消耗快等等。針對這一現(xiàn)狀，本文在對已有的定位算法進行廣泛調研和仔細分析的基礎上，從實際定位系統(tǒng)的角度出發(fā)，針對其定位信息收集、節(jié)點自定位、定位結果求精和位置信息更新四個階段中存在的問題和挑戰(zhàn)進行了系統(tǒng)的研究并提出了具有實用價值的解決方案。本文主要貢獻如下：
　　 在定位信息收集階段，針對定位信息存在偏差的問題，本文研究了定位信息修正機制，其目的是對實際系統(tǒng)中收集的

3、定位信息進行修正從而減小其與理想環(huán)境下定位信息的偏差。為實現(xiàn)此目標，我們提出了一種基于信譽評估的定位信息修正機制(RRS)。在RRS中，我們借助鄰居節(jié)點之間的協(xié)作來對原始定位信息的可靠性進行評估并根據(jù)評估結果對原始定位信息進行迭代修正使得修正后的定位信息盡可能準確。為驗證RRS的性能，我們進行了詳盡的仿真實驗并通過搭建一個包含17個MICAz 節(jié)點的實驗床來驗證其在實際環(huán)境中的應用效果。仿真結果顯示加載RRS模塊的DV-Hop 定位算法

4、比其直接利用原始定位信息在定位精度上提高了約34 ％。系統(tǒng)驗證結果顯示DV-Hop 利用RRS 修正后的跳數(shù)信息的定位精度比其直接利用原始跳數(shù)信息要提高約16 ％。
　　 在節(jié)點自定位階段，針對實際應用定位精度低和擴展性差的問題，本文對基于測距無關和基于RSSI的定位算法進行研究并提出了基于細粒度跳數(shù)信息(AFLA)、基于RSSI 全向擬合經(jīng)驗圖(ORM)和基于RSSI 方向序列(DSBL)三種定位算法。在AFLA中，我們首先對

5、跳數(shù)信息進行細粒度化；然后利用細粒度跳數(shù)信息來進行初始定位；最后利用節(jié)點之間的相對位置關系對初始定位結果進行求精。仿真結果顯示AFLA的平均定位精度比DV-Hop 高出約30 ％。系統(tǒng)驗證結果表明AFLA的平均定位精度比DV-Hop 高24 ％左右。在ORM中，我們基于通信半徑內收集的有限個不同方向和距離對應的RSSI值，采用擬合的方法得到一張包含任一方向和距離對應的RSSI值的全向經(jīng)驗圖。待定位節(jié)點根據(jù)收集的來自錨節(jié)點的RSSI值和該

6、經(jīng)驗圖可以求得一個最合適的位置坐標。由于只涉及小范圍內的有限數(shù)據(jù)采集，因此該方法具有很好的擴展性。系統(tǒng)驗證結果顯示與基于RSSI的W-Centroid 方法相比，ORM的平均定位精度要高26 ％左右。在DSBL中，我們將節(jié)點之間的相對方向而不是RSSI值的大小作為主要依據(jù)來判定節(jié)點所在區(qū)域。因為我們發(fā)現(xiàn)在近距離范圍內，方向性對RSSI值的影響甚至要大于物理距離。系統(tǒng)驗證結果顯示與基于RSSI大小序列的SBL 算法相比，DSBL能夠將近5

7、0 ％的待定位節(jié)點定位于正確區(qū)域而SBL 只有大約17 ％。
　　 在定位結果求精階段，針對初始定位結果精度低的問題，本文研究了迭代求精機制并提出了置信度彈簧模型(CSM)對節(jié)點初始定位結果進行迭代求精。
　　 CSM根據(jù)節(jié)點初始定位結果的可靠程度賦予其不同的置信度并基于此和節(jié)點之間的相對位置關系來動態(tài)設置彈簧模型移動步長。如此，CSM可以以較快的收斂速度達到對初始定位結果迭代求精的目的。系統(tǒng)驗證結果證明利用CSM 求精

8、后的定位結果精度比初始定位結果高約27％，比利用傳統(tǒng)彈簧模型求精的結果高出14 ％左右。
　　 在位置信息更新階段，針對定位結果更新過程消息復雜度高和能量消耗快的問題，本文研究了位置的高效更新機制。在實際系統(tǒng)中，隨著節(jié)點密集度的增加，傳統(tǒng)的周期性位置信息更新機制會引發(fā)消息丟失和能量快速消耗等問題。
　　 針對這些問題，本文提出了基于代理的無線傳感網(wǎng)絡高效位置更新機制。在該機制中，只有代理節(jié)點周期性代表其成員節(jié)點更新位置信