各向異性無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題研究.pdf

1、基于位置信息的服務(wù)廣泛存在于整個(gè)無(wú)線通信應(yīng)用領(lǐng)域，從短距離藍(lán)牙通信到長(zhǎng)距離電話網(wǎng)絡(luò)通信，我們均能發(fā)現(xiàn)位置信息的重要性。位置信息對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)同樣至關(guān)重要，沒(méi)有位置信息的數(shù)據(jù)是無(wú)意義的。傳統(tǒng)的定位算法研究主要致力于提高定位算法的精度以及執(zhí)行效率等方面，而較少考慮傳感器節(jié)點(diǎn)所處的實(shí)際定位環(huán)境或是節(jié)點(diǎn)自身硬件約束對(duì)定位精度產(chǎn)生的影響。我們將復(fù)雜定位環(huán)境以及節(jié)點(diǎn)天線傳輸模型不規(guī)則性總結(jié)為傳感網(wǎng)絡(luò)的各向異性特征，因此針對(duì)各向異性傳感網(wǎng)

2、絡(luò)定位相關(guān)問(wèn)題的研究是本文的主要工作。
　　 論文針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各向異性特征對(duì)節(jié)點(diǎn)定位帶來(lái)的難點(diǎn)進(jìn)行分析并展開(kāi)深入的研究，引入計(jì)算幾何和博弈論等理論作為研究工具，以降低各向異性網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)距誤差帶來(lái)的影響、提高節(jié)點(diǎn)定位精度和算法收斂速度為目標(biāo)，提出了有效的解決方案。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1．針對(duì)之前提到的復(fù)雜定位環(huán)境造成的各向異性情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于參考節(jié)點(diǎn)權(quán)重選擇的各向異性網(wǎng)絡(luò)定位算法WSAN。傳統(tǒng)的

3、基于多跳定位算法假設(shè)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)計(jì)算得到的最短路徑長(zhǎng)度與實(shí)際幾何距離之間存在函數(shù)映射關(guān)系，然而由于傳感節(jié)點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景以及分布環(huán)境的多樣性，在一些復(fù)雜區(qū)域中這種函數(shù)映射關(guān)系將不再成立，從而在這類(lèi)區(qū)域應(yīng)用傳統(tǒng)定位算法將帶來(lái)較大定位誤差。WSAN算法根據(jù)待定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間的最短路徑受邊界以及障礙物影響的程度來(lái)濾除受各向異性區(qū)域影響嚴(yán)重的參考節(jié)點(diǎn)路徑。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)選擇合適的，未受影響的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，降低了定位過(guò)程中錯(cuò)誤距離估計(jì)

4、帶來(lái)的影響，從而大幅提高了定位精度。仿真實(shí)驗(yàn)表明，較之傳統(tǒng)的多跳定位算法，WSAN算法通過(guò)合理選擇參考節(jié)點(diǎn)，將平均定位誤差減小了約30％。
　　 2．為了在一般網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c各向異性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲g尋找并建立聯(lián)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種應(yīng)用性更廣的普適定位算法，論文提出了基于參考節(jié)點(diǎn)凸包劃分的距離無(wú)關(guān)各向異性網(wǎng)絡(luò)定位算法CHP。CHP算法首先對(duì)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行凸包劃分，然后按照路徑最短優(yōu)先原則為待定位節(jié)點(diǎn)選擇所屬凸包。最終，算法依據(jù)待定位節(jié)點(diǎn)所屬凸包

5、內(nèi)的所有參考節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行定位，從而有效避免了各向異性區(qū)域邊界和障礙物對(duì)定位精度的影響。性能分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明，提出的新算法較傳統(tǒng)的基于多跳算法以及各向異性區(qū)域內(nèi)基于參考節(jié)點(diǎn)權(quán)重選擇算法在定位精度以及誤差抖動(dòng)上有了大幅度改進(jìn)，因此更適用于各向異性區(qū)域定位。
　　 3．設(shè)計(jì)了基于博弈理論的各向異性網(wǎng)絡(luò)定位算法?，F(xiàn)有的大多數(shù)定位算法可以分為初始定位和位置求精兩個(gè)階段。這些算法在位置求精時(shí)大多是利用未知節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)以及其它相關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)修正

6、位置信息，但是目前尚未開(kāi)展針對(duì)“如何才能最合理的修正未知節(jié)點(diǎn)位置信息”問(wèn)題的研究。在位置求精階段，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都追求自身最高的位置精度，同時(shí)節(jié)點(diǎn)都是自私的，希望通過(guò)調(diào)節(jié)其它節(jié)點(diǎn)的位置信息來(lái)提高自身位置信息的可信度。對(duì)于節(jié)點(diǎn)間的這種利益沖突關(guān)系，博弈論是一種合適的數(shù)學(xué)分析工具。因此本文提出了一種基于博弈理論的定位算法GTCMS解決上述問(wèn)題。在迭代求精階段，每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)自然的博弈過(guò)程選擇位置修正時(shí)能夠達(dá)到NASH均衡的鄰節(jié)點(diǎn)；然后根

7、據(jù)最優(yōu)反應(yīng)理論調(diào)整自身的位置。GTCMS算法首次將博弈理論引入定位問(wèn)題中，并實(shí)現(xiàn)了全局NASH均衡。與傳統(tǒng)未采用博弈理論的定位算法相比，它可以大幅降低定位誤差并提高收斂速度。
　　 4．設(shè)計(jì)了基于路由信息修正的各向異性網(wǎng)絡(luò)定位算法。一般定位算法大都假設(shè)傳感節(jié)點(diǎn)具有規(guī)則的通信傳輸模型，且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可與其通信半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)相互通信，同時(shí)不存在傳輸過(guò)程中的丟包問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際傳感器節(jié)點(diǎn)端實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸模型均是不規(guī)則的

8、，具有相同發(fā)射功率的不同節(jié)點(diǎn)間也存在較大的差異，并不能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)等通信；即使對(duì)于一個(gè)確定的具備全向通信能力的節(jié)點(diǎn)而言，在不同方向和不同時(shí)間點(diǎn)內(nèi)其通信半徑也是波動(dòng)的。與此同時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信鏈路質(zhì)量較差，特別是對(duì)于相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)會(huì)存在頻繁丟包的現(xiàn)象。上述的這些問(wèn)題均會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的定位精度，論文將著重研究節(jié)點(diǎn)通信半徑的不規(guī)則、時(shí)變性以及節(jié)點(diǎn)間通信鏈路丟包等問(wèn)題，同時(shí)提出了一種基于路由信息修正的各向異性區(qū)域定位算法RCL