基于弧心的无线传感器网络节点定位算法研究

摘要

无线传感器网络是继因特网之后，将对二十一世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术，在军事、工业、民用等领域有巨大的应用价值和前景。无线传感器网络由大量靠无线和多跳方式通信的智能传感器节点构成，这些节点一般被密集布设在特定的没有固定基础设施的监控区域。由于传感器节点在布设时采取随机投放的方式，网络中大多数节点位置不能事先确定。但对于很多应用，没有位置信息的监测消息是毫无意义的。因此，在传感器网络中，传感器节点的精确定位是各种应用的前提和基础。 本文针对传感器节点的自身定位问题，提出了一种基于弧心的分布式无线传感器网络定位新算法。该算法基于传感器节点的通信射程，在传感器节点之间建立起相应的通信约束关系；通过建立二维辅助坐标系，在可相互通信的传感器节点之间建立起相应的空间几何关系；针对每个未知节点，基于传感器节点间的通信约束关系、空间几何关系和锚节点的已知位置信息，从几何学角度建立包含未知节点的圆弧区域，将该区域的质心作为未知节点的估计位置，实现未知传感器节点的自身定位。本算法完全基于网络连通性实现未知节点定位，是一种无需测距技术的分布式算法。算法的圆弧区域确定方法简单，计算量小，且网络通信量很小。未知节点的失效或重新加入对已定位的节点没有任何影响，而且不会产生累计误差，非常适合低功耗自组织的无线传感器网络领域的应用。另外，为了增强定位算法的实用性，填补三维空间内传感器节点定位算法的空白，本文在二维平面内基于弧心的定位算法基础上，提出一种基于三维体质心的定位算法，该算法利用三维辅助坐标系，基于未知节点与少量锚节点之间的通信约束和空间几何关系，研究包含未知节点的三维体构成方法，将三维体的质心作为未知节点的估计位置，实现未知传感器节点的自身定位，解决三维空间内的无线传感器网络节点的定位问题，进一步促进无线传感器网络的应用与发展。 理论分析和实验结果表明，基于弧心的定位算法性能受测距误差的影响很小；传感器节点数量的变化对网络通信量和计算量没有影响，使得该算法适合于各种规模的无线传感器网络的节点定位。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景与目的

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

1.4论文组成

第二章基于弧心的定位算法

2.1定位问题描述

2.2无线传播模型

2.3定位已知条件

2.4圆弧区域及其质心的确定

2.4.1外圆弧的确定

2.4.2内圆弧的确定

2.4.3上边线和下边线的确定

2.4.4基于弧心的定位

2.5特殊情况处理

2.6算法全过程描述

2.7小结

第三章定位实现与算法性能评估

3.1网络模型设置

3.2系统参数与性能指标参数

3.2.1系统参数

3.2.2性能指标参数

3.3仿真实验

3.3.1锚节点密度对算法性能的影响

3.3.2节点密度对算法性能的影响

3.3.3测距误差对算法性能的影响

3.3.4节点无线射程对算法性能的影响

3.3.5与其它算法的比较

3.4小结

第四章基于弧心的定位算法优化与扩展

4.1二次定位

4.1.1新锚节点的选择

4.1.2二次定位的性能指标

4.1.3二次定位的性能评估

4.2三维空间内的定位实现

4.2.1定位问题描述

4.2.2基于三维体质心的定位算法

4.3小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果