無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的移動信標輔助節(jié)點定位方法研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新世紀最重要的信息獲取技術(shù)之一,它在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑和結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各研究分支中,定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的支撐技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用中,節(jié)點的感知數(shù)據(jù)必須與位置相結(jié)合,離開位置信息,感知數(shù)據(jù)是沒有意義的,并且使用傳感器節(jié)點的位置信息能夠節(jié)約能耗,提高路由效率,增強網(wǎng)絡(luò)安全性及實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲的自配置等。然而,給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均安裝GPS收發(fā)器或

2、者人工配置節(jié)點位置會受到成本、功耗、效率等問題的限制,甚至在某些場合可能無法實現(xiàn),因此必須采用一定的機制實現(xiàn)的節(jié)點定位,即開展適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的定位技術(shù)研究。
   節(jié)點定位技術(shù)研究對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)性能提高和實用性保證具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值,利用移動信標發(fā)射的虛擬信標代替固定信標,輔助未知節(jié)點定位可以很大程度上減少建網(wǎng)成本。為此,本文以移動信標輔助節(jié)點定位研究為主題,結(jié)合理論研究和計算機仿真等手段,在節(jié)點定位算法

3、和移動信標路徑規(guī)劃方面展開研究。論文主要工作如下:
   (1)在基于測距技術(shù)節(jié)點定位算法方面,研究提出了一種基于虛擬信標優(yōu)化選擇的移動信標輔助節(jié)點定位方法。本方法利用一個移動信標在傳感器區(qū)域內(nèi)按照高斯馬爾科夫移動模型移動,并周期性地廣播包括位置等信息的虛擬信標包,普通節(jié)點接收感知范圍內(nèi)的信標包??紤]到虛擬信標點與節(jié)點間的距離和位置拓撲關(guān)系對定位精度的影響,提出了一種基于CRLB(Cramer-RaoLowerBound)的信標

4、優(yōu)化選擇算法,未知節(jié)點選擇最佳的虛擬信標參與節(jié)點位置估計,提高節(jié)點定位精度。通過對該方法在不同信標移動時間、不同虛擬信標間距、不同環(huán)境下的定位精度和定位覆蓋率進行了仿真分析,結(jié)果表明該方法具有較好的定位性能。
   (2)在無需測距的節(jié)點定位算法方面,研究提出了一種基于幾何約束的節(jié)點定位算法,避免了測距誤差對定位精度的影響,減少了計算和通信開銷。該算法利用一個移動信標在傳感器區(qū)域內(nèi)按照隨機方向移動模型移動,并周期性地廣播包括前一

5、位置、當前位置和后一位置等的信息包;普通節(jié)點存儲連續(xù)收到的虛擬信標序列中的第一個和最后一個信標信息,選擇有效虛擬信標組中距離較近的信標組合,將通信圓重疊區(qū)域質(zhì)心作為節(jié)點位置估計,避免了測距誤差。通過對該算法的仿真分析,結(jié)果表明本算法相對于Ssu算法和Lee算法具有較好的定位精度,對于環(huán)境因素的影響較小,具有計算和通信開銷小等特點,適合于低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。
   (3)在移動信標路徑規(guī)劃方面,考慮到信標移動路徑和廣播位置對

6、定位性能具有很大的影響,提出了兩種新的路徑規(guī)劃方法:KCSP(K-CoverageStaticPath)和VFDP(VirtualForceDynamicPath)。KCSP方法根據(jù)K-Coverage思想確定虛擬信標點位置,使之能將傳感器區(qū)域覆蓋至少3次,然后用蟻群算法獲取遍歷虛擬信標點的最佳路徑。VFDP方法在移動信標上配置定向發(fā)射天線和全向接收天線,根據(jù)當前位置感知范圍內(nèi)不同波束角區(qū)域中的未知節(jié)點對移動信標的虛擬力來決定下一位置。

7、仿真結(jié)果表明KCSP方法能獲取最佳的虛擬信標部署和較短遍歷路徑,較大程度降低系統(tǒng)能耗,適合于均勻部署的傳感器區(qū)域;VFDP方法能根據(jù)節(jié)點分布確定最佳的移動信標發(fā)射位置,具有良好的自適應(yīng)性,避免無節(jié)點部署區(qū)域的遍歷,適合非規(guī)則部署的傳感器區(qū)域。
   (4)在節(jié)點定位算法實際應(yīng)用系統(tǒng)方面,為了更好地研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個方面的特性,分析提出的算法在實際系統(tǒng)中的性能,設(shè)計并實現(xiàn)了一個節(jié)點定位原型系統(tǒng)。系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)和信標節(jié)點選用CC2

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