基于學(xué)習(xí)算法的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題研究.pdf

1、隨著無(wú)線(xiàn)通信、集成電路、傳感器以及微電子機(jī)械系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得低成本、低功耗、大規(guī)模的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生與發(fā)展成為可能。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)位置信息對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，在其諸多應(yīng)用中扮演著不可或缺的重要角色。如何設(shè)計(jì)高效率、高精度、低能耗的定位算法一直都是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。
　　 本文針對(duì)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題，以核方法和流形學(xué)習(xí)為研究手段，以減少定位過(guò)程中使用的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和降低測(cè)量誤差對(duì)定位精

2、度的影響為目標(biāo)，對(duì)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：
　　 1．本文綜述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的相關(guān)研究，并以算法復(fù)雜度、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例、定位誤差等作為綜合指標(biāo)對(duì)現(xiàn)有的定位算法進(jìn)行了綜合分析，并歸納出現(xiàn)有定位算法的不足以及尚待解決的問(wèn)題。
　　 2．考慮基于鄰近節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度的定位問(wèn)題，為了降低測(cè)量誤差對(duì)定位精度的影響，本文通過(guò)研究鄰近節(jié)點(diǎn)問(wèn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)換成無(wú)向圖

3、上的非線(xiàn)性降維問(wèn)題，并提出了基于核函數(shù)局部保持映射(KLPP)的定位算法。該算法的基本思想是利用高斯核函數(shù)度量節(jié)點(diǎn)間的相似性，并在定位過(guò)程中盡可能地保持鄰近節(jié)點(diǎn)間的相似性。仿真結(jié)果表明，基于KLPP的定位算法受信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的影響較小，當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的比例較低時(shí)，依然可以獲得較高的定位精度。而且，與基于核函數(shù)主成份分析(KPCA)的定位算法、MDS—MAP定位算法等同類(lèi)方法相比，該算法受測(cè)量誤差的影響也較?。?br>　　 3．考慮基于鄰近節(jié)

4、點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度的定位問(wèn)題，本文以降低算法復(fù)雜度為目標(biāo)，在基于KLPP的定位算法的基礎(chǔ)上，提出了基于核函數(shù)譜回歸(KSR)的定位算法。該算法的基本思想是通過(guò)非線(xiàn)性逼近的方法，將圖上的非線(xiàn)性降維問(wèn)題轉(zhuǎn)換成正則化核函數(shù)最小二乘回歸問(wèn)題。理論分析和仿真結(jié)果表明，基于KSR的定位算法很好地保留了基于KLPP的定位算法的優(yōu)點(diǎn)，在保證定位精度的同時(shí)，極大地降低了算法的復(fù)雜度。
　　 4．考慮基于鄰近節(jié)點(diǎn)問(wèn)信號(hào)強(qiáng)度或測(cè)量距離的定位問(wèn)題，為了降低信

5、標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)定位精度的影響，本文通過(guò)觀(guān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布的流形，將定位問(wèn)題放在半監(jiān)督框架下進(jìn)行研究，并提出了基于半監(jiān)督拉普拉斯最小二乘的定位算法。該算法在訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型階段，通過(guò)引入非信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量信息來(lái)提高預(yù)測(cè)模型的泛化能力，進(jìn)而降低信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)定位精度的影響。另外，本文還給出了定位問(wèn)題中基于A(yíng)ligment準(zhǔn)則的核函數(shù)學(xué)習(xí)算法。仿真結(jié)果表明，與基于正則化核函數(shù)最小二乘(RKLS)的定位算法、基于核函數(shù)矩陣回歸(KMR)的定位算法等同類(lèi)方法相

6、比，該算法能夠獲得較高的定位精度，并且適當(dāng)?shù)販p小節(jié)點(diǎn)的通信半徑能夠降低平均定位誤差。
　　 5．考慮基于鄰近節(jié)點(diǎn)間測(cè)距的定位問(wèn)題，為了解決基于Ⅰsomap的定位算法對(duì)參數(shù)敏感和坐標(biāo)變換矩陣依賴(lài)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)的基于Ⅰsomap的定位算法(Ⅱsomap)。該算法主要包括三個(gè)部分：基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的Ⅰsomap參數(shù)選擇、基于Ⅰsomap的相對(duì)坐標(biāo)估計(jì)和基于最小二乘或流形回歸的絕對(duì)坐標(biāo)估計(jì)。其中，流形回歸法能夠獲得較高的

7、定位精度，但算法復(fù)雜度較大。仿真結(jié)果表明，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，在測(cè)距誤差較大、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，與同類(lèi)的基于歐式距離的定位算法相比，Ⅱsomap定位算法都能獲得較高的定位精度。而且，節(jié)點(diǎn)的平均定位誤差基本上隨著通信半徑的增大而逐漸增加。因此，在基于測(cè)距的定位機(jī)制設(shè)計(jì)中，Ⅱsomap定位算法使得減小節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和提高節(jié)點(diǎn)的定位精度同時(shí)滿(mǎn)足成為可能。
　　 本文將核方法和流形學(xué)習(xí)的思想引入到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題中，為該領(lǐng)域