面向應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位問題研究.pdf

1、由于具有廉價性、魯棒性和自組織性等一系列優(yōu)點，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在軍事國防、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，位置信息對傳感節(jié)點的監(jiān)測活動至關(guān)重要，沒有位置信息的監(jiān)測報告通常毫無意義。由此可見，節(jié)點定位是傳感網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對傳感網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用性起著至關(guān)重要的作用。
　　 在過去十年中，國內(nèi)外研究學(xué)者針對不同應(yīng)用場景提出了一系列節(jié)點定位算法。但是它們中的大部分在實際系統(tǒng)應(yīng)用方面還存在很多問

2、題：定位信息存在偏差、算法擴(kuò)展性差、定位精度低、消息復(fù)雜度高和能量消耗快等等。針對這一現(xiàn)狀，本文在對已有的定位算法進(jìn)行廣泛調(diào)研和仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上，從實際定位系統(tǒng)的角度出發(fā)，針對其定位信息收集、節(jié)點自定位、定位結(jié)果求精和位置信息更新四個階段中存在的問題和挑戰(zhàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并提出了具有實用價值的解決方案。本文主要貢獻(xiàn)如下：
　　 在定位信息收集階段，針對定位信息存在偏差的問題，本文研究了定位信息修正機制，其目的是對實際系統(tǒng)中收集的

3、定位信息進(jìn)行修正從而減小其與理想環(huán)境下定位信息的偏差。為實現(xiàn)此目標(biāo)，我們提出了一種基于信譽評估的定位信息修正機制(RRS)。在RRS中，我們借助鄰居節(jié)點之間的協(xié)作來對原始定位信息的可靠性進(jìn)行評估并根據(jù)評估結(jié)果對原始定位信息進(jìn)行迭代修正使得修正后的定位信息盡可能準(zhǔn)確。為驗證RRS的性能，我們進(jìn)行了詳盡的仿真實驗并通過搭建一個包含17個MICAz 節(jié)點的實驗床來驗證其在實際環(huán)境中的應(yīng)用效果。仿真結(jié)果顯示加載RRS模塊的DV-Hop 定位算法

4、比其直接利用原始定位信息在定位精度上提高了約34 ％。系統(tǒng)驗證結(jié)果顯示DV-Hop 利用RRS 修正后的跳數(shù)信息的定位精度比其直接利用原始跳數(shù)信息要提高約16 ％。
　　 在節(jié)點自定位階段，針對實際應(yīng)用定位精度低和擴(kuò)展性差的問題，本文對基于測距無關(guān)和基于RSSI的定位算法進(jìn)行研究并提出了基于細(xì)粒度跳數(shù)信息(AFLA)、基于RSSI 全向擬合經(jīng)驗圖(ORM)和基于RSSI 方向序列(DSBL)三種定位算法。在AFLA中，我們首先對

5、跳數(shù)信息進(jìn)行細(xì)粒度化；然后利用細(xì)粒度跳數(shù)信息來進(jìn)行初始定位；最后利用節(jié)點之間的相對位置關(guān)系對初始定位結(jié)果進(jìn)行求精。仿真結(jié)果顯示AFLA的平均定位精度比DV-Hop 高出約30 ％。系統(tǒng)驗證結(jié)果表明AFLA的平均定位精度比DV-Hop 高24 ％左右。在ORM中，我們基于通信半徑內(nèi)收集的有限個不同方向和距離對應(yīng)的RSSI值，采用擬合的方法得到一張包含任一方向和距離對應(yīng)的RSSI值的全向經(jīng)驗圖。待定位節(jié)點根據(jù)收集的來自錨節(jié)點的RSSI值和該

6、經(jīng)驗圖可以求得一個最合適的位置坐標(biāo)。由于只涉及小范圍內(nèi)的有限數(shù)據(jù)采集，因此該方法具有很好的擴(kuò)展性。系統(tǒng)驗證結(jié)果顯示與基于RSSI的W-Centroid 方法相比，ORM的平均定位精度要高26 ％左右。在DSBL中，我們將節(jié)點之間的相對方向而不是RSSI值的大小作為主要依據(jù)來判定節(jié)點所在區(qū)域。因為我們發(fā)現(xiàn)在近距離范圍內(nèi)，方向性對RSSI值的影響甚至要大于物理距離。系統(tǒng)驗證結(jié)果顯示與基于RSSI大小序列的SBL 算法相比，DSBL能夠?qū)⒔?

7、0 ％的待定位節(jié)點定位于正確區(qū)域而SBL 只有大約17 ％。
　　 在定位結(jié)果求精階段，針對初始定位結(jié)果精度低的問題，本文研究了迭代求精機制并提出了置信度彈簧模型(CSM)對節(jié)點初始定位結(jié)果進(jìn)行迭代求精。
　　 CSM根據(jù)節(jié)點初始定位結(jié)果的可靠程度賦予其不同的置信度并基于此和節(jié)點之間的相對位置關(guān)系來動態(tài)設(shè)置彈簧模型移動步長。如此，CSM可以以較快的收斂速度達(dá)到對初始定位結(jié)果迭代求精的目的。系統(tǒng)驗證結(jié)果證明利用CSM 求精

8、后的定位結(jié)果精度比初始定位結(jié)果高約27％，比利用傳統(tǒng)彈簧模型求精的結(jié)果高出14 ％左右。
　　 在位置信息更新階段，針對定位結(jié)果更新過程消息復(fù)雜度高和能量消耗快的問題，本文研究了位置的高效更新機制。在實際系統(tǒng)中，隨著節(jié)點密集度的增加，傳統(tǒng)的周期性位置信息更新機制會引發(fā)消息丟失和能量快速消耗等問題。
　　 針對這些問題，本文提出了基于代理的無線傳感網(wǎng)絡(luò)高效位置更新機制。在該機制中，只有代理節(jié)點周期性代表其成員節(jié)點更新位置信