一种距离无关的无线传感器网络综合三维定位算法

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无线传感器网络是由散布在监测区域内的体积小、价格低廉、计算能力低的节点组成,通过无线通信的方式组成的网络系统。其特点是:能量有限、自织网络、大规模网络、动态性等等。其研究方向主要有路由、安全、能耗及定位这四方面。而定位作为无线传感器网络的支撑技术,越来越多国内外的学者对其做出了研究,提出了很多经典的算法,诸如质心算法和DV-Hop算法。但现有的算法都具有一定的局限性。目前,学者研究定位主要针对的是二维空间。尽管二维无线传感器定位算法日趋成熟,但从实际应用的角度考虑,无线传感器通常部署在三维空间中,其定位要求也不在局限于二维空间,往往进行水温、盐度、行进路线等测量,仅涉及到二维层面,无法满足现实生活、现实世界的要求。例如在海洋中,除了需要平面坐标外,有时候还需要测量海洋的深度,在高山上除了经纬度之外,有时还需要知道海拔等,这时单纯的二维定位算法就显示出其局限性。因此,为了增强算法的实用性,研究三维定位算法更加具有实际意义。经过分析,发现质心算法具有能耗少的优点,但其定位精度不高;而DV-Hop算法定位精度高,但能耗较高。两者综合得出的CDLI算法利用一个K值来确定某未知节点具体使用哪个定位算法,综合了质心算法的能耗低和DV-Hop算法的定位精度高的优点。本文正是设计一个三维空间上的CDLI算法,即3D-CDLI算法。3D-CDLI算法也是由两部分组成,分别是三维质心算法和三维DV-Hop算法。根据网络的连通度引入一个门限值λ,当未知节点一跳范围内的信标节点数超过门限值则自动选择三维质心算法,同理当未知节点一跳范围内信标节点数少于门限值则选择使用三维DV-Hop算法。门限值作为3D-CDLI算法的选择三维质心算法或三维DV-Hop算法的依据,在不同的网络环境中取值不同。实验表明门限值的选取与网络的连通度有关,当网络的连通度高,门限值应选取相对较小的数值,使得较多的节点选择三维质心定位,一定程度上起到降低能耗的作用;相反,当网络的连通度低时,门限值应选取相对较大的数值,使得此时较多未知节点选择三维DV-Hop算法进行定位,提高定位精度。总的来说,门限值的选取应达到一定的平衡,不至于大部分未知节点使用同一个定位算法,否则就难以体现两个算法的优点,不能做到综合两个算法的优点。为了对提出的3D-CDLI算法进行精确度分析,本文使用MATLAB 7.0进行仿真实验。实验结果表明3D-CDLI算法比三维DV-Hop算法的定位精度提高了约3.5%-6.5%,在对未知节点定位过程中,有一定比例的未知节点选择使用三维质心算法进行定位,降低了网络的总体通信开销。3D-CDLI算法是将具有特点的定位算法进行综合,使其发挥各自的优点,以适应不同的应用环境。实验仿真结果证明了3D-CDLI算法具备三维质心算法和三维DV-Hop算法的优点,在提高定位精度的同时在一定程度上降低了网络的能耗。
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