无需测距的无线传感器网络定位算法研究

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无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)已被广泛应用于军事、环境监测、交通、抗灾,工业现场等诸多领域。节点定位作为无线传感器网络的关键支撑技术和研究热点,对于无线传感器网络的基础理论和应用基础研究都具有重要意义。定位算法必须在满足传感器节点成本和能量的限制下,使节点定位达到低能耗、低成本、低复杂度和高精度。传感器网络节点定位的方法主要有基于测距(Range-based)和无需测距(Range-free)定位技术。前者精度较高,但大都需要额外地增加硬件开销,能量消耗较大,不适用于能量受限的传感器网络大规模应用;而后者仅通过网络的连通度等信息,在不需要距离或者角度信息的情况下能提供足够的定位精度,在成本和功耗方面与前者相比具有显著优势。针对WSN这种特殊的自组织网络,Range-free定位方法得到了广泛关注。本文在简要介绍了几种典型的无需测距的定位方法的基础上,着重研究了利用移动锚节点的Range-free定位方法,此类方法在节约成本和组网的灵活性方面,以及复杂工业环境中的应用具有很大优势,成为无线传感器网络定位方法的新热点。本文首先提出了基于RSS的移动锚节点定位方法,不仅减少了锚节点的数量和能量消耗,而且提高了定位精度。其次,论文重点分析了Range-free定位算法中基于区域叠加的APIT(Approximate Point-in-triangulation Test)定位算法和基于泰森图的DV-Loc(Distributed Voronoi Localization)算法,及其存在的缺点,提出了一种性能较优的定位算法VBL(Voronoi Diagram-based Localization Algorithm),该算法利用移动锚节点组成动态泰森图来确定未知节点所处的泰森多边形,通过多个泰森多边形的叠加来缩小未知节点所在区域,从而完成定位。通过仿真研究验证了所提出的方法相对于APIT和DV-Loc算法其具有较高定位精度、低通信开销、低计算量的性能。最后,本文还研究了针对移动传感器网络的定位方法,分析了一种应用于一类特定的移动传感器网络的定位算法EMAP(Extended Mobile Anchor Points),及其在应用中的定位误差较大的缺陷,提出了一种基于几何约束的定位算法,该算法无需复杂的硬件设备和计算,经过仿真验证,该算法既降低了能量消耗又提高了定位精度,更适合于实际应用。
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