利用无线传感器网络的人员定位方法及位置信息路由策略

摘要

灾害发生时，对施救人员进行定位可以提高救援效率和搜救准确性;同时，对被困人员进行位置跟踪可以指导其有序疏散从而减少二次损失与伤害。由于在设施布设、网络性能、投入成本等多方面的优势，无线传感器网络(Wireless SensorNetworks，WSN)成为室内节点定位技术的理想选择。本文选取常见的室内应急救援场景，在研究了无线传感器网络节点部署、定位算法及路由策略等问题后，提出了一套切实可行的应急救援定位系统，实现了室内人员位置信息的快速准确获取与及时可靠上传。具体工作包括:
　　对常见建筑物室内构型进行分类，将其分为内廊区域与大空间区域，根据两种空间的特点分别设计了三维空间下节点数量优化的固定部署方法，实现了空间全覆盖、网络全连通。该部署方法方便了位置服务协议的展开，为定位算法与路由策略的实现提供了网络基础。最后引入随机模型对节点部署方法的有效性进行了分析。
　　在确定了节点部署方法后，根据定位场景的不同，设计了内廊区域的粗粒度定位算法与大空间区域的细粒度的定位算法。粗粒度算法以未知节点一跳邻居锚节点组合来判断未知节点大致范围，在线性空间中满足了定位需要。大空间中细粒度定位算法又分为需测距式与非测距式两类。需测距的定位过程采用改进的RSSI(Received Signal Strength Indication)测距算法，通过求解多元方程组得出未知节点估计坐标，在此过程中使用了具有群智能的并行模式搜索(Parallel PatternSearch with Swarm Update，PPSSU)算法;非测距方法先采用加权质心定位算法求出未知节点估计值，再通过简化的无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter, UKF)对所求得坐标值再精确。
　　获取未知节点坐标后，研究了将坐标信息上传至汇聚节点的路由策略。在对无线传感网网络路由相关问题认真梳理后，提出了一种改进的位置辅助多径路由方法。改进算法的路由查找过程基于锚节点位置信息，数据转发选用节点不相交多径路由策略。与单径路由和一般多径路由算法相比，该路由算法实现了对未知节点定位信息的可靠高效传输。
　　在算法性能分析与网络环境仿真过程中，使用Matlab和NS-2仿真软件对整个定位系统的平均定位精度、系统响应速度、数据转发时延、路径可靠性等指标进行了分析。最后得出结论:采用本文提出的定位系统可以降低部署成本，优化网络环境，准确获取人员位置坐标，可靠转发位置信息分组并及时上传，为救援和疏散提供了技术保证，为搜救工作和迅速撤离赢得主动。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题背景及意义

1．2 无线传感器网络相关技术

1．2．1 WSN节点部署与覆盖问题

1．2．2 WSN定位问题概述

1．2．3 WSN路由方法简介

1．3 本文工作与安排

2．节点部署方法研究

2．1 建筑物内部空间模型

2．1．1 内廊式空间

2．1．2 大空间区域

2．2 节点感知模型与相关概念

2．2．1 节点感知模型

2．2．2 相关概念

2．3 三维场景节点部署方法分析

2．4 优化的三维固定部署方法

2．5 部署策略有效性分析

2．6 部署方法性能分析

2．6．1 内廊区域的锚节点数计算

2．6．2 大空间部署方式覆盖性能比较

2．7 本章小结

3 基于部署策略的定位算法研究

3．1 基于WSN的定位问题概述

3．2 内廊空间粗粒度定位算法

3．3 大空间细粒度定位算法

3．3．1 改进的基于RSSI测距算法

3．3．2 改进的非测距算法

3．4 定位算法的性能分析

3．5 本章小结

4 改进的位置辅助多径路由算法

4．1 WSN路由算法概述

4．1．1 常见路由算法及其原理

4．1．2 基于位置的路由协议

4．1．3 WSN多径路由协议

4．2 改进的位置辅助多径路由算法

4．3 路由算法性能仿真分析

4．3．1 路由算法性能指标与仿真软件介绍

4．3．2 LAOMDV与单径路由协议比较

4．3．3 LAOMDV与一般多径路由协议性能比较

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 进一步研究展望

参考文献

作者简历

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