三维传感网络空间定位3DV-Distance差分算法研究及其特性分析

摘要

无线传感器网络是由大量的、低成本的集成化微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是通过协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。它是涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科的综合性技术，是多学科高度交叉、新兴、前沿的一个热点研究领域。无线传感器网络被广泛应用于军事、环境、医疗、智能家居、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理等领域。位置信息是事件位置报告、地理路由、目标跟踪和网络管理等系统功能的前提。为了提供有效的位置信息，采集到数据的节点必须实时的进行定位，因此节点定位是无线传感器网络的关键技术之一。
　　 目前针对二维空间的无线传感器网络节点定位研究已经趋于成熟，而三维空间中节点定位问题的研究工作和成果还较少。随着无线传感器网络技术在各领域应用的不断深入，及时开展三维空间定位技术的理论与应用研究，是顺应科技发展和时代发展需要的。
　　 本文介绍了无线传感器网络的体系结构、特点、研究现状、应用领域和关键技术，指出了节点定位技术的研究意义、基本概念、基本原理、分类和常用的节点定位算法性能指标，总结了几种典型的节点定位系统和算法。本文为了更好的探讨三维传感网络空间定位问题，首先对二维平面上的节点定位算法进行分析。在深入研究二维平面上DV-Distance差分定位算法及改进型DV-Distance差分算法的基础上提出了新型二维DV-Distance差分定位算法，该算法将改进型算法中的基于单位距离的DV-Distance差分算法进行修正，通过将定位后的未知节点按照一定要求升级为信标节点来扩充网络中信标节点的个数，这样未定位的未知节点可参考的信标节点数量就相应增大，从而使未知节点到信标节点的有效距离误差减小，降低了定位误差。通过MATLAB仿真，对两种算法进行定位效果和定位精度比较后得出新型二维DV-Distance差分定位算法一定程度上提高了定位精度。其次，在二维平面新型二维DV-Distance差分定位算法相关结论的基础上，本文提出了三维传感网络空间定位的3DV-Distance差分算法。该算法在计算误差修正值和未知节点到信标节点的有效距离时，选择距离未知节点最近的四个信标节点进行计算，并仍利用扩充信标节点的方法增加参考节点的个数，当未知节点得到距四个信标节点的空间有效距离时即可确定其位置坐标。将基于单位距离的DV-Distance差分算法扩展到三维空间，将其与3DV-Distance差分算法进行仿真比较和特性分析，结果很好的验证了3DV-Distance差分算法的有效性和优越性。