基于跳数比率的无线传感器网络节点定位技术研究

摘要

节点定位技术是无线传感器网络（WSN）的主要支撑技术之一，即根据少数已知位置的节点，按某种定位机制确定自身位置。WSN中的传感器节点在存储、计算和电池供电等方面的能力有较大的限制，因此在保证一定定位精度的前提下，研究具有较低的计算复杂度和较低的节点间通信开销的定位算法，从而减低功耗、延长网络生存时间，对于WSN的实际大规模应用具有重要的理论意义和应用价值。 本文首先对WSN节点定位技术的基本原理、计算方法以及性能评价指标等方面进行研究总结，分析了现有各类定位算法的基本思想、应用背景及性能。重点对适用于较大网络规模的DV-Hop算法进行研究，深入分析了该算法的特点，针对其通信负载大、节点较少时定位误差大等缺点，提出了一种改进算法。该算法采用网格型网络拓扑结构，通过设置不同通信范围的主副两级锚节点进行辅助定位，将整个定位过程分为粗略位置约束和精确计算两阶段：㈠根据节点接收的信号强度，利用其与节点间欧氏距离的线性反比关系来缩小定位范围，限制第二阶段中节点通信的区域，同时为最后的定位结果设置过滤条件；㈡在缩小的区域内进行一次网络泛洪来统计节点间最小跳数，用跳数比率构造Apollonius Circle，最终利用三边测量法和最大似然估计法进行节点定位。改进后的算法在Crossbow的MoteWorks2．0F平台上、使用IRIS节点对其网络通信负载、定位精度、边缘稳定性等指标进行了实际对比测试和验证。结果表明，改进后的定位算法在不增加硬件开销的基础上，与传统的DV-Hop算法相比，实现了网络通信负载的大幅降低，定位精度较高且边缘稳定性较好，同时在一定程度上降低了系统计算复杂度，达到了预期要求。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 无线传感器网络节点定位技术研究现状

1.3 研究内容和论文组织

第二章 无线传感器网络节点定位基本理论和算法综述

2.1 无线传感器网络定位算法分类

2.1.1 基于测距Range-based的定位和无需测距Range-free的定位

2.1.2 绝对定位与相对定位

2.1.3 集中式计算与分布式计算

2.1.4 紧密耦合与松散耦合

2.1.5 粗粒度与细粒度

2.1.6 三角测量、场景分析和接近度定位

2.2 性能评价标准

2.3 定位基本原理

2.3.1 节点间距离(或角度)常用测量方法

2.3.2 节点定位计算方法

2.4 现有无线传感器网络自身定位系统及相关算法概括

2.4.1 Cricket定位系统

2.4.2 质心定位算法

2.4.3 SPA(Self—Positioning Algorithm)相对定位算法

2.4.4 凸规划定位算法

2.4.5 APS(Adhoc Positioning System)

2.4.6 AHLos和N—hop multilateration primitive定位算法

2.4.7 Generic Localized Algorithms

2.4.8 MDS—MAP定位算法

2.5 现有定位系统和算法的比较

第三章 基于RSS和跳数比率的Range—free分阶段节点自身定位算法

3.1 无线信号传播模型

3.1.1 信号传播理论模型

3.1.2 信号传播的经验模型

3.2 算法网络环境

3.2.1 网格网络的建立和节点布局

3.2.2 网络节点运行时序

3.3 算法整体描述

3.4 定位第一阶段：基于RSS的位置范围约束

3.5 定位第二阶段：基于DV—Hop和跳数比率的节点自身定位算法

3.5.1 传统的DV—Hop定位算法

3.5.2 DV—Hop算法存在的问题

3.5.3 数学模型Apollonius Circle

3.5.4 基于DV—Hop和跳数比率定位算法

第四章 定位系统的实现环境及实验

4.1 无线传感器网络嵌入式操作系统TinyOS和编程语言nesC

4.2 系统硬件设备和软件环境

4.2.1 IRIS节点性能

4.2.2 MIB520编程板

4.2.3 相关软件开发包

4.3 系统总体的组件框架设计

4.4 锚节点运行设计

4.5 未知节点运行设计

4.6 算法实验及结果分析

4.6.1 实验工具和网络布置

4.6.2 网络通信量的比较

4.6.3 节点定位精度的比较

4.6.4网络各参数对本文定位算法性能的影响

第五章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 进一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢