无线传感器网络中的移动信标辅助节点定位方法研究

摘要

无线传感器网络是新世纪最重要的信息获取技术之一,它在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、建筑和结构监测等领域有着广泛的应用前景。在无线传感器网络的各研究分支中,定位技术是无线传感器网络中关键的支撑技术。在无线传感器网络各种应用中,节点的感知数据必须与位置相结合,离开位置信息,感知数据是没有意义的,并且使用传感器节点的位置信息能够节约能耗,提高路由效率,增强网络安全性及实现网络拓扑的自配置等。然而,给网络中所有节点均安装GPS收发器或者人工配置节点位置会受到成本、功耗、效率等问题的限制,甚至在某些场合可能无法实现,因此必须采用一定的机制实现的节点定位,即开展适合无线传感器网络特点的定位技术研究。
　　 节点定位技术研究对传感器网络技术性能提高和实用性保证具有重要的理论意义和实际应用价值,利用移动信标发射的虚拟信标代替固定信标,辅助未知节点定位可以很大程度上减少建网成本。为此,本文以移动信标辅助节点定位研究为主题,结合理论研究和计算机仿真等手段,在节点定位算法和移动信标路径规划方面展开研究。论文主要工作如下:
　　 (1)在基于测距技术节点定位算法方面,研究提出了一种基于虚拟信标优化选择的移动信标辅助节点定位方法。本方法利用一个移动信标在传感器区域内按照高斯马尔科夫移动模型移动,并周期性地广播包括位置等信息的虚拟信标包,普通节点接收感知范围内的信标包。考虑到虚拟信标点与节点间的距离和位置拓扑关系对定位精度的影响,提出了一种基于CRLB(Cramer-RaoLowerBound)的信标优化选择算法,未知节点选择最佳的虚拟信标参与节点位置估计,提高节点定位精度。通过对该方法在不同信标移动时间、不同虚拟信标间距、不同环境下的定位精度和定位覆盖率进行了仿真分析,结果表明该方法具有较好的定位性能。
　　 (2)在无需测距的节点定位算法方面,研究提出了一种基于几何约束的节点定位算法,避免了测距误差对定位精度的影响,减少了计算和通信开销。该算法利用一个移动信标在传感器区域内按照随机方向移动模型移动,并周期性地广播包括前一位置、当前位置和后一位置等的信息包；普通节点存储连续收到的虚拟信标序列中的第一个和最后一个信标信息,选择有效虚拟信标组中距离较近的信标组合,将通信圆重叠区域质心作为节点位置估计,避免了测距误差。通过对该算法的仿真分析,结果表明本算法相对于Ssu算法和Lee算法具有较好的定位精度,对于环境因素的影响较小,具有计算和通信开销小等特点,适合于低功耗、低成本的应用领域。
　　 (3)在移动信标路径规划方面,考虑到信标移动路径和广播位置对定位性能具有很大的影响,提出了两种新的路径规划方法:KCSP(K-CoverageStaticPath)和VFDP(VirtualForceDynamicPath)。KCSP方法根据K-Coverage思想确定虚拟信标点位置,使之能将传感器区域覆盖至少3次,然后用蚁群算法获取遍历虚拟信标点的最佳路径。VFDP方法在移动信标上配置定向发射天线和全向接收天线,根据当前位置感知范围内不同波束角区域中的未知节点对移动信标的虚拟力来决定下一位置。仿真结果表明KCSP方法能获取最佳的虚拟信标部署和较短遍历路径,较大程度降低系统能耗,适合于均匀部署的传感器区域；VFDP方法能根据节点分布确定最佳的移动信标发射位置,具有良好的自适应性,避免无节点部署区域的遍历,适合非规则部署的传感器区域。
　　 (4)在节点定位算法实际应用系统方面,为了更好地研究无线传感器网络中各个方面的特性,分析提出的算法在实际系统中的性能,设计并实现了一个节点定位原型系统。系统中网关和信标节点选用CC2430芯片,未知节点选用CC2431芯片,系统运行Zigbee通信协议。节点定位时使用基于RSSI的测距技术,通过实际环境中测试获得A和η环境参数,然后在原型系统上运行基于距离和CRLB的信标优化选择节点定位算法,对其不同信标部署情况下的测试数据进行了分析比较,可得试验结果与模拟环境下的仿真结果相符,为进一步的应用和研究打下基础。