基于连通性的无线传感网络节点定位问题研究

摘要

无线传感网络具有可快速部署、易组网、不受有线网络约束等优点，因此具有广泛的应用前景。在这些实际应用中，节点定位有着广泛的需求，是无线传感网络的关键问题。为了有效的解决节点定位问题，研究者提出了大量的定位算法。这些算法通常被分为基于测距的算法和无需测距的算法。基于测距的定位算法需要测量节点之间的距离或角度信息才能计算出未知节点的位置。这类算法虽然在定位精度上有一定的优势，但需要额外的硬件设备和大量的复杂计算，因此并不适用于低功耗、低成本的实际应用。而无需测距的定位算法(本文就是指基于连通性的定位算法)仅利用节点之间连通信息进行定位，硬件需求简单，计算量小，对于普通的传感节点来说更为实用。然而，基于连通性的节点定位算法普遍存在定位精度不高的问题。为了提高定位精度，新的基于连通性的定位算法开始加入大量复杂的计算和额外的消息传递，而这对于计算和存储能力有限的传感节点来说是一个很难完成的任务。因此，本文试图在不增加复杂计算和通信开销的条件下，改进基于连通性的节点定位算法，提高定位精度。同时提高算法的实用性，力求将定位算法应用到实际的定位系统中。围绕以上目标，本文对基于连通性的节点定位问题展开以下的研究： (1)研究无线传感网络节点定位问题的相关工作。目前为止，节点定位问题已经形成了一套比较完善的理论体系，其中包括定位算法的分类，定位算法的性能评价标准以及典型的定位算法和系统。 (2)针对质心系列算法在区域边界定位误差大的问题，提出了基于冗余节点的质心算法。利用功能简单的冗余节点来改进算法在区域边界的定位精度，并调节冗余节点的信号射程及摆放形式来深入分析定位效果。此外，提出了一种新的定位算法评价标准，力求准确体现算法在整个定位区域的效果。 (3)针对基于跳数的定位算法，在节点稀疏排列或不规则排列的网络中定位效果差的问题，提出了基于邻居信息校正的跳数定位算法。在基于跳数信息的定位算法基础上，利用未知节点估算的邻居情况与真实收集到的邻居情况进行对比，选取相似程度高的节点作为准锚节点。再用节点间邻居表的相似程度表示它们的远近程度，然后利用远近程度分配权值。最后，用锚节点和准锚节点对其它节点进行加权质心定位，校正其它节点的位置，从而提高算法的整体定位精度。 (4)综合运用多种定位方法，开发了一个基于连通性的节点定位原型系统。 本文主要介绍系统的需求分析，软硬件平台，以及系统的设计与实现。本文研究中的贡献和创新点包括： 利用功能简单的冗余节点，在不增加复杂计算的条件下，提高了质心算法的定位精度。 提出了一种定位算法的评价标准，从新的角度来评价算法性能。 在不增加通信开销的情况下，利用邻居信息改进基于跳数的节点定位算法，提高了定位精度。 在定位原型系统中，设定了接收信号强度的高可信阈值，并综合运用了多种定位算法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2无线传感网络节点定位问题概述

1.2.1研究意义

1.2.2常用术语

1.2.3问题定义

1.2.4研究现状和存在的问题

1.3主要工作及安排

第2章节点定位问题的相关工作

2.1定位算法的分类

2.1.1基于测距的定位与无需测距的定位

2.1.2集中式定位与分布式定位

2.1.3绝对定位与相对定位

2.1.4物理定位与符号定位

2.1.5粗粒度定位与细粒度定位

2.2定位算法的性能评价标准

2.3常用的定位算法介绍

2.3.1质心算法

2.3.2 MDS-MAP定位算法

2.3.3 APIT定位算法

2.3.4 APS系列定位算法

2.3.5 Amorphous定位算法

2.3.6基于有序MCL方法的定位算法

2.3.7基于节点部署信息的定位算法

2.4典型的定位系统介绍

2.4.1 Cricket定位系统

2.4.2 MoteTrack定位系统

2.4.3 ARIADNE定位系统

2.4.4 Lighthouse定位系统

2.4.5 Walking GPS定位系统

2.4.6 Spotlight定位系统

2.5本章小结

第3章基于冗余节点的质心定位算法

3.1引言

3.2相关工作

3.2.1质心算法

3.2.2加权质心算法

3.2.3改进的加权质心算法

3.3基于冗余节点的质心定位算法(RMBC)

3.4定位算法的评价标准

3.4.1现有评价标准存在的问题

3.4.2定位覆盖度(CoL)

3.4.3带参数的定位覆盖度(β-CoL)

3.5模拟实验及结果分析

3.5.1定位覆盖度的比较

3.5.2定位误差的比较

3.5.3锚节点摆放方式对定位覆盖度的影响

3.5.4冗余节点的无线信号射程对定位覆盖度的影响

3.5.5冗余节点位置对定位覆盖度的影响

3.6本章小结

第4章基于邻居信息校正的跳数定位算法

4.1引言

4.2相关工作

4.2.1 DV-Hop定位算法

4.2.2 HCRL定位算法

4.3基于邻居信息校正的跳数定位算法(NBLS)

4.3.1基于邻居的定位机制(NBM)

4.3.2 NBLS定位算法的完整描述

4.4实验及结果分析

4.4.1实验场景

4.4.2实验结果分析

4.4.3相关讨论

4.5本章小结

第5章无线传感网络节点定位原型系统

5.1项目背景介绍

5.2相关工作

5.3定位原型系统的需求分析

5.3.1节点端需求

5.3.2服务器端需求

5.4系统开发平台

5.4.1节点端开发平台

5.4.2服务器端开发平台

5.5系统设计

5.5.1节点应用程序模块

5.5.3多跳路由模块

5.5.4用户应用程序模块

5.5.2网络管理模块

5.5.5数据库

5.6原型系统中采用的定位方法

5.6.1设定接收信号强度的阈值

5.6.2未知节点之间的关系

5.6.3物理定位与符号定位相结合

5.7定位系统的功能演示

5.7.1锚节点的摆放

5.7.2定位演示

5.7.3其它功能

5.8本章小结

第6章结论

6.1已完成工作的总结

6.2下一步工作

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果