无线传感器网络节点定位算法

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无线传感器网络作为当下热点研究的网络模型之一。虽然它仍处于学术理论研究阶段,真正距离其广泛的实际应用还有很多的努力需要做出,但是其不仅从学术研究层面还是具体的实际推广应用,WSN的价值与前景都被一致的看好。传感器网络触及多个软件硬件技术、计算机网络和通信技术等学科领域,它是一门多学科的穿插研究领域,有其显明的跨学科研究的特征。对于WSN的研究分支也有很多:WSN的网络时间同步技术、WSN的网络视频技术、网络中的节点部署技术、WSN的动态管理技术、WSN中的路由协议研究、涉及WSN的拥塞控制研究及WSN的节点定位技术等。在本文中,所研究的为节点定位在无线传感器网络中可行算法。WSN中传感器节点的体积小、成本低等特点,造成了节点本身在制造设计上存在着一定的制约:其电源总能量有限、本身通信能力有限、节点的计算和保存数据能力有限等。因此在WSN中要实现节点的定位就要考虑在进行网络通信的同时,尽量减少能耗,在全网中进行数据传输处理时要考虑到节点自身的实际能力。关于WSN的节点定位算法,当前主要分为两大分支:基于测距的定位算法和非测距定位算法。经常使用到的测距方法有:基于到达信号角度的测量法(Angle of Arrival, AOA)、基于信息到达时间测量法(Time of Arrival, TOA)、基于数据包到达时间之差测量法(Time difference of Arriva, TDO A)以及基于信号接收到的强度估计测量法(Received Signal Strength Indicator, RSSI)。相对于基于测距算法来说非测距算法更加贴切WSN的实际应用环境。无线传感器网络因其自身的各方面的局限性:网络带宽、能量储存、内存和硬件成本开销等。由于这些限制的存在使得某些应用场景下测距变得不太现实无法实现。因此免测距定位算法尽管精度相比较有所欠缺,但仍有其自身的巨大研究和实际应用价值意义。目前比较经典的非测距算法有:DV-HOP基于跳数估计的算法,Centroid质心算法以及APIT算法等。这些在本文中都会做出介绍。本文主要的研究工作是对非测距算法进行的。本文所做的工作,首先对WSN的背景历史等进行了简要的阐述。接着对于无线传感器网络中的定位问题做出了说明,对于目前热点研究的两大WSN节点定位问题进行了分类的说明讲解。本文的主要研究工作在于非测距的节点定位算法。本文中在对几个经典的非测距定位算法进行说明后,重点对于DV-HOP算法以及基于Voronoi图的定位算法这两方面进行了相对深入的探讨。在查阅学习了这两大问题的原有算法之后,通过自己的工作和相应的仿真实验提出了自己的改进算法,并且通过相关的实验证明了改进算法的可行性和在相关实验场景下对于定位算法的定位精度的提升。本文的创新工作如下:1.本文第三章中对于经典的DV-HOP定位算法做出了比较深切探讨。本文把原有算法第三步中,对于建立的坐标距离等式集,本文不同于原有算法对等式两边平方的操作,先对各个等式做交叉相减,然后通过参数替换引入K值。利用K值相较于未知节点坐标的关系,对原有估算出的节点坐标进行了相关的修正。在做仿真实验时,本文证明了此改进算法的可行性,通过它对于原有经典算法的性能比较后,也说明了改进算法在节点定位精度方面得到的提高。2.在定位算法的研究中引入计算几何中Voronoi图的思想,对要定位的网络首先进行区域的划分,以此来缩小定位范围。然后通过未知节点到各锚节点的跳数值的排序,得到跳数值的最小值,本文就认为此值对应的锚节点就是最临近的锚节点,随及确定了未知节点所在的划分区域。最后利用质心算法估算出未知节点的位置,从而进行定位。虽然此算法还存在不成熟性,在有些网络拓扑下不适用,但是通过实验也验证了在特定网络环境中此算法定位性能的优越性。
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