基于錨節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究.pdf

1、隨著科技信息化進(jìn)程不斷加快,通過(guò)節(jié)點(diǎn)自組織建立具有快速組網(wǎng)、靈活展開(kāi)及良好健壯性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)正日益受到學(xué)者們的關(guān)注。作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心組成部分,WSN隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)大,目前WSN已廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘查、車輛跟蹤、應(yīng)急救援等具有特殊需要的通信環(huán)境中。WSN節(jié)點(diǎn)往往隨機(jī)布撒于無(wú)人值守的區(qū)域(存在丘陵、河流等情況),其網(wǎng)絡(luò)邊界范圍

2、不只針對(duì)開(kāi)闊區(qū)域,X型或C型等特殊網(wǎng)絡(luò)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。這也對(duì)WSN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其相關(guān)技術(shù)研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
　　在WSN的應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)位置信息的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)自身能力的限制,部分節(jié)點(diǎn)必須依靠定位算法確定自身位置信息,并依此報(bào)告監(jiān)測(cè)、跟蹤事件,因而定位算法成為了WSN近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)有WSN定位算法往往針對(duì)于室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì),其定位范圍較小;而針對(duì)大范圍區(qū)域的定位算法則很少關(guān)注特殊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需求。另外

3、,節(jié)點(diǎn)位置不但會(huì)發(fā)生遷移,同時(shí)也面臨著來(lái)自惡意節(jié)點(diǎn)或被俘獲節(jié)點(diǎn)的攻擊,因而制定一套行之有效的適用于特殊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的可靠節(jié)點(diǎn)定位算法尤為重要。
　　本文的研究是在國(guó)家科技重大專項(xiàng)(傳感器網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,從實(shí)際問(wèn)題出發(fā),采用理論與仿真分析相結(jié)合的模式,分別在靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位、錨節(jié)點(diǎn)可信度檢測(cè)、動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位等方面開(kāi)展了深入研究。主要研究工作概括如下:
　　首先,本文對(duì)

4、現(xiàn)有定位相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,針對(duì)WSN應(yīng)用于特殊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的普適性,描述了一種分級(jí)分布式WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在闡述本文背景和研究意義的基礎(chǔ)上,從靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位、錨節(jié)點(diǎn)可信度檢測(cè)以及動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位三個(gè)定位算法研究中的關(guān)鍵技術(shù)入手,描述和分析了現(xiàn)有算法的研究進(jìn)展和應(yīng)用方案。在深入剖析了各研究方法特點(diǎn)和局限性的基礎(chǔ)上,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)指出了亟待解決的問(wèn)題,確定了本文的研究路線。
　　其次,本文對(duì)靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有WS

5、N在實(shí)際應(yīng)用中往往采用基于測(cè)距的定位算法,這種方法不但需要超聲波發(fā)生器等附加硬件設(shè)備,而且受多徑效應(yīng)等多方面因素作用,具有不確定性和非線性特性,嚴(yán)重影響定位精度。而非測(cè)距的定位算法雖然不需要額外硬件支持,但相比理想狀態(tài)下的測(cè)距定位算法誤差較大,特別是在特殊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。針對(duì)以上問(wèn)題,本文從非測(cè)距定位方法入手提出了一種基于支持向量機(jī)適用于特殊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法,該算法利用生成跳數(shù)-距離轉(zhuǎn)換矩陣,結(jié)合支持向量機(jī)原理對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定

6、位,有效提高非測(cè)距定位算法的定位精度,并能適用于定位精度高、環(huán)境要求苛刻、成本低、應(yīng)用于地質(zhì)勘查等領(lǐng)域的WSN中。
　　再次,本文討論了定位過(guò)程中的可靠性問(wèn)題,提出了一種錨節(jié)點(diǎn)可信度檢測(cè)算法。錨節(jié)點(diǎn)發(fā)出的定位信息是定位算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),一旦惡意節(jié)點(diǎn)或被俘獲錨節(jié)點(diǎn)發(fā)出錯(cuò)誤的自身位置或到其它節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息,將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位精度產(chǎn)生極大的影響。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出了一種非測(cè)距的基于校驗(yàn)點(diǎn)的錨節(jié)點(diǎn)可信度檢測(cè)算法,該算法利用網(wǎng)絡(luò)的連通性

7、、節(jié)點(diǎn)跳數(shù)信息及校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)天線的方向性,逐一將檢測(cè)錨節(jié)點(diǎn)所發(fā)信息的正確性,從而確定其可信度。該算法不但可以與提出的定位方法聯(lián)合使用,同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性,也可應(yīng)用于其他定位算法中以提高其定位的可靠性。
　　最后,本文對(duì)移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行了研究。為了滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更廣泛的應(yīng)用需求,動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生,傳統(tǒng)的定位算法將不會(huì)適用于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。目前針對(duì)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)定位算法在設(shè)計(jì)時(shí)往往存在著定位誤差大、節(jié)點(diǎn)只能按照