无线传感器网络基于移动锚节点定位问题研究

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无线通信、微机电、嵌入式等技术的快速发展,促进了低成本、低功耗和多功能无线传感器网络的产生,引起了相关领域研究人员的高度重视。目前无线传感器网络已经广泛应用到环境监测、智能家居等多种场合。以数据为中心的无线传感器网络,其首要要求就是感知数据中包含相关位置信息,获取事件的节点位置,而没有绑定位置信息的监测数据往往毫无意义。因此确定传感器节点位置是传感器网络最基本的功能之一,关系到无线传感器网络应用的各个方面。   本文主要对基于锚节点无线传感网络定位算法做了讨论和研究,从介绍无线传感网络定位技术出发,重点研究了在无线传感网络中基于移动锚节点的定位技术。主要做了如下工作:   1、对研究背景及课题来源进行了深入的研究,论述了课题研究目的和意义。   2、探讨了无线传感网络节点定位技术的应用前景,对现有的定位技术做了详尽地介绍,并对这些定位算法的优缺点进行分析,总结了在设计定位算法时需要综合考虑的评价标准。   3、在对基于TDOA(Time Difference of Arrival)原理传感器节点定位方法研究的基础上,引入移动锚节点设计了一种基于TDOA原理的高能效、高精度定位算法,称之为MTDOA(Mobile anchor node assist TDOA localization scheme for wireless sensornetwork),详细阐述了算法设计过程,并将二维MTDOA算法扩展应用到三维场景中,对算法性能进行了仿真验证,结果表明所设计的算法和传统基于移动锚节点的定位算法相比具有定位精度高、能效高的优点,但是仍存在网络构建成本较高的缺点。   4、通过对基于RSSI(Received Signal Strength Indication)原理传感器节点定位方法和网络构建成本的研究,针对不同的应用场景和需求,设计了三种基于RSSI原理并利用移动锚节点的低成本定位方案,满足了高效、节能、精确度高等性能评价标准。   协作定位算法利用三个锚节点组成的移动锚节点组,实现了对未知节点的定位。未知节点通过利用移动锚节点组组成的几何图形特有的几何性质寻找信标信息,实现了位置估算。   基于加权RSSI的定位算法是在对现有基于RSSI原理定位算法分析的基础上提出的一个改进算法,它通过对接收到的定位信标信息RSSI加上一个适当权值,进而寻找出加权后的最大RSSI值信标点,然后进行未知节点的位置估算。   基于覆盖区域重叠的定位算法在对现有算法分析的基础上发现由于信号传播的不规则性和环境噪声的影响使算法精度明显下降,传统算法对信号的传播不规则性不具有免疫性,在所设计的算法中通过寻找第一个和最后一个接收信标信息,利用移动锚节点在相应位置的覆盖范围特点实现对未知节点的位置估算。   最后利用网络仿真软件对三个算法进行了仿真验证,仿真的结果表明在没有增加网络定位能耗和吞吐量的基础上,三个算法的定位精度有了明显提高。   5、利用定向天线信号传输的特点设计了一种定位算法,称之为LSWD(LocalizationScheme for Wireless Sensor Networks using Directional Antennas),包含有三种定位方法,分别是GGDI(the greatest gain direction line intersection)、BLI(the border line intersection)和RROI(radiate region of intersection),LSWD定位算法通过利用定向天线信号传输的物理性质实现对未知节点自身的位置估算,该算法是一种分布式、高能效、距离无关和高精度的定位方法,算法的仿真结果也表明所设计的LSWD算法比传统基于全向天线技术的算法具有更高的精度和能效性。作者通过在真实物理环境中搭建实验验证平台,对所设计的算法进行实验验证,检验算法的有效性,实验结果表明算法具有较高的定位精度。   6、设计了一种粗粒度定位算法,称之为移动最大矩形定位算法,该算法与以往设计的定位算法完全不同,它不依赖于任何定位技巧,如TOA(Time of Arrivall、TDOA、RSSI和.AOA(Angle of Arrival)等,它仅仅利用信号传输范围特点和纯几何性质实现了对未知节点位置估算,仿真的结果表明所设计的算法在没有增加网络能耗和吞吐量的基础上,大大提高了算法的定位精度。
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