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1、西北工业大学硕士学位论文无线传感器网络分布式节点定位算法研究姓名：王建刚申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：王福豹20060301摘要集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通讯技术而成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络可以自组织网络拓扑结构，节点间通过协同工作能够实时监测，感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。无线传感器网络在国防、环境监测、空间探索、医疗卫生、精细农业、交通管理、制造业、反恐抗灾等领域具有广阔的应用前景。无线传感器网络节点定位问题，是无线传感器网络重要的共性支撑技术之一，对其研究具有非常重要的意义。本文对已有的无线传感器网络
2、分布式节点定位算法进行了深入的研究，跟踪了国内外在该领域的研究进展，对已有的几种典型的分布式节点定位算法做出了深入分析，定量地比较了算法的性能。并在此基础上提出了一种新的分布式节点定位算法。该算法主要在两个方面改进了定位性能：一是从提高定位精度方面，结合了相关数学原理，引入了加权最小二乘估计的方法，建立了加权定位算法的方案，以抑制迭代定位过程中累积误差的影响；二是从提高定位覆盖率方面，建立了利用两个锚节点和一个连通限制条件定位的算法模型，与三边测量定位( t r i l a t e r a t i o n ) 、多边测量定位( m u l t i l a t e r a t i o n ) 以
3、及E u c l i d e a n 算法相结合，确立了一种高覆盖率的分布式节点定位算法。通过在N S 2 仿真平台上对算法的仿真实验，统计分析了各种因素对算法定位性能的影响，仿真结果表明，该算法具有良好的性能。在实用化的定位系统研究方面，在实际的原型实验平台上实现了D V - h o p定位算法，做出了实现定位系统的初步探索，奠定了进一步研究的良好基础。文章的最后对全文做了总结并对将来的研究方向做出了展望。关键字：无线传感器网络；分布式节点定位算法；定位系统A b s t r a c tW S N ( W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k ) ，w
4、h i c hi sm a d eb yt h ec o n v e r g e n c eo f s e n s o Le m b e d d e dc o m p u t a t i o n ，n e t w o r k sa n dw i t l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i san o v e lt e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n W S Nh a v et
5、h ea b i l i t yt oc o l l a b o r a t i v e l ym o n i t o r i n g ，s e n s i n g ，c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no ft h ep h y s i c a lw o r l dt h r o u g ha d h o cd e p l o y m e n to fn u m e r o u st i n y , i n t e l l i g e n t ，w i r e l e s s l yn e t w o
6、 r k e ds e n s o rn o d e s 。P o m n t i a la p p l i c a t i o n so fs u c hs e n s o rn e t w o r k ss p a nm a n yd o m a i n s ：m i l i t a r ys u r v e i l l a n c e ；e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ( a i r ，w a t e r ，s o i l ，c h e m i s t r y ) ；s m a r ts p a c e s ；p h y s i
7、o l o g i c a lm o n i t o r i n g ；p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ；t r a n s p o r t a t i o n ；f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o n N o d el o c a l i z a t i o np r o v i d e dt h e f o u n d a t i o nf o rm a n ya p p l i c a t i o no fW S N I nt h i sp a p e r , w ef i r s td i s
8、c u s s e ds e v e r a lh a v e b e e np r o p o s e dd i s t r i b u t e dl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sa n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c e S e c o n d l y , an e wd i s t r i b u t e dl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sb e i n gp r o p o s e
9、 d O u ra p p r o a c hi m p r o v e dt h el o c a l i z a t i o np e r f o r m a n c ef r o mt w oa s p e c t ：f i r s t ，t or e s t r a i ne r r o ra c c u m u l a t i o nd u r i n gi t e r a t e dl o c a l i z a t i o np r o c e s s ，w ea p p l y i n gW L S E ( W e i g h t e dL e a s tS q u a r e
10、E s t i m a t e s ) t on o d el o c a l i z a t i o na l g o r i t h ma n dc h o o s ep r o p e rw e i g h tc o e f f i c i e n tt or e d u c el o c a t i o ne r r o r ；s e c o n d ，t oi m p r o v el o c a l i z a t i o nc o v e r a g er a t e ，w ee s t a b l i s h e dac o o r d i n a t ec o m p u t
11、 em o d e lb a s e do nt w oa n c h o ra n dac o n n e c t i o nc o n s t r m nc o n d i t i o na n di n t e g r a t e di tw i t l lt r i l a t e r a t i o n m u l t i l a t e r a t i o na n dE u c l i d e a na l g o r i t h m A f t e rt h a t ，w ei m p l e m e n t e dD V - h o pl o c a l i z a t i
12、o na l g o r i t h mo no u rt e s t b e d sa n de v a l u a t ea n dd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h el o c a l i z a t i o ns y s t e m F i n a l l y , w es u mu pt h i sp a p e ra n dt h ed i r e c t i o n so f r e s e a r c hi nt h i sa r e aa r ei n t r o d u c e d K e y
13、w o r d s ：W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；D i s t r i b u t e dN o d eL o c a l i z a t i o na l g o r i t h mL o c M i z a t i o ns y s t e mU要j ! 三些奎兰坚主笙苎堑：兰! ! il 1 研究背景第一章引言无线传感器网络( W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k ，W S N ) 是指由大量成本低廉的，具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的网络。W S N一般被密集部署
14、在特定的监控区域，节点间以无线、多跳的通信方式，自组织网络拓扑结构，节点间通过协同工作完成单个节点不能完成的全局任务【l “。以前的监控系统经常是将少量的大功率的，具有很强数据分析能力的传感装置安放在离目标有一定距离的观测点进行监控，这样获得的数据很不准确，需要传感装置具有较强的处理分析能力，从混杂的信号中，分析出有用的信息。现在，微机电系统( M E M S ，M i c r o 。E l e c t r o M e c h a n i s mS y s t e m ) 、片上系统( S O C ，S y s t e mO nC h i p ) 和无线通信技术高度集成使我们可以生产出体积小、
15、耗能少、造价低，功能较强的传感器节点，将这种传感器节点高密度的分布在观测区域，我们就可以获得全面的、精确度相当高的数据。这从根本上改变了传统监控系统的模式。无线传感器网络与传统的无线网络( 如w L A N 和蜂窝移动电话网络) 有着不同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而无线传感器网络中除少数节点需要移动外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣、甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成了无线传感器网络的核心问题。在研究初期，人们曾经一度认为成熟的I n t e r
16、 n e t 技术加上A dh o e 路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：无线传感器网络与传统无线网络有着明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。一些为自组织的A dh o e网络设计的协议和算法并不适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识( 如地址等) 的作用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存倒显得非常必要。在密集性的无线传感器网络中，相邻节点问的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗同时增加了通讯的隐蔽性，也避免了长距离的无线通讯易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网西北工业大学硕士论文弟一草引舌络的研究提出了新的技术问题。无线传感器网络与无线自组织网的主要区别有以下几点：( 1 ) 无线传感器网络虽然是无线自组织网的一种特殊形式，但由于传感网络的高密度，大规模以及传感节点的高度自治性使它与无线自组织网存在很多区别。其中的主要区别包括：无线传感网络为了节能主要采用以数据为中心( d a t a
