無線傳感器網絡中定位技術研究1(已修改)

　

【正文】 河北北方學院畢業論文目錄摘要 3Abstract 4第1章 緒論 5 5 6 6 7 10 11 13 14第2章無線傳感器網絡定位問題的相關研究 15 15 16 16 16 17 17 18 18. 2分布式定位 20 23 24第3章基于支持向量回歸的半集中式定位算法 26 26 26 27 29(LSVR) 30 30 31 32 33 34第4章分布式的混合禁忌搜索定位算法 35 35 36 38 38 39 39結論與展望 41致謝 43參考文獻 44摘要 作為一種新興的無線網絡技術，無線傳感器網絡在工業、農業、環境監控、軍事和搶險救災等領域有著廣泛的應用前景。在許多應用中，節點位置至關重要，離開位置信息，監測事件或者感知數據也失去了實際應用價值。而每個傳感器節點均配置GPS收發器，成本和能耗較高，不符合無線傳感器網絡各方面的約束，必須研究適合無線傳感器特點的自定位算法。本文圍繞無線傳感器網絡中的定位問題，針對現有研究的不足，結合無線傳感器網絡的特點，對靜止網絡定位相關問題進行了相應研究。在增量或多跳測距定位中定位誤差或測距誤差容易造成累積，對后繼節點的定位精度影響較大。現有一些非測距集中式算法僅使用網絡連通信息，也能夠獲取較高的定位精度，并無需考慮測距誤差問題。然而通常需收集網絡全局信息，通信開銷較大。針對以上缺點，本文運用了一種基于支持向量回歸的半集中式定位算法。集中式定位通信開銷大、擴展性差，對于資源受限的、自組織無線傳感器網絡來說，具有一定的局限性。通過把定位問題轉化為無約束優化問題，本文運用了一種基于混合禁忌搜索的分布式定位算法。關鍵詞：無線傳感器網絡；定位；測距Abstract As a new type of wireless ad hoc network,wireless sensor networks have wide applications including industry,agriculture,environmental observation,military,and collecting information in disaster prone of nodes location is an essential requirement for many location information of sensor nodes,the sensed data or the detection of events is ,because each sensor with a GPS device is expensive in terms of cost and energy consumption,it is infeasible due to various resource constraints such as miniature size,lowplexity, limited battery ,selflocalization for wireless sensor networks has been presented and on the key characters of wireless sensor networks and the limitations of current research,this thesis focuses on localization issues . This thesis firstly studies the localization problems in static wireless sensor incremental or multihop rangebased localization algorithms,the ranging error or localization error can be easily accumulated,and this will affect the localization accuracy of successor rangefree centralized localization algorithms can obtain high localization accuracy only using network connectivity information and do not need to consider the ranging ,centralized localization needs to collect the information of the entire network to base station,thus the munication cost is high and it consumes too much at these drawbacks,we present a semicentralized localization algorithm based on support vector regression. For resourcelimited and selforganized wireless sensor networks,centralized localization methods are impractical because of the high munication overhead and bad turn the localization problem into an unconstrained optimization problem and propose a distributed localization algorithm based on hybrid taboo search.Keywords：Wireless sensor networks,Localization,Ranging 第1章 緒論 隨著低功耗無線通信、微機電系統的發展，以及分布式信息處理技術、普適計算的大量研究，低成本、低功耗、大規模的無線傳感網絡作為一種新興技術提供了一種全新的信息獲取和信息處理方式，極大地擴展了現代網絡的功能和人類認識世界的能力，引起了人們的廣泛關注，具有十分廣闊的應用前景。能夠廣泛應用于環境監控、軍事國防、目標跟蹤、醫療監控等領域，成為了當前一個熱點研究領域。本章首先簡述了選題的背景和意義，接著對無線傳感器網絡的發展、結構及特點進行了介紹，然后概述了無線傳感器網絡的主要應用和主要研究領域，最后給出了本文的主要研究內容和組織結構。 隨著科技的日益進步，促進了無線通信、集成電路及微機電系(microelectromechanism system，簡稱MEMS)等技術的飛速發展，使得設計低成本、低功耗、小體積、多功能的微型傳感器節點成為可能，并且這些傳感器節點具有信息感知、數據處理和無線通信等功能。此外，由于分布式信息處理技術、普適計算及自組織網絡等大量研究的開展，為大規模傳感器節點協同工作、數據的智能處理和傳輸、自組織網絡的構建提供了技術支持。這些技術使得無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，簡稱WSN）應運而生。無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取和信息處理方式，不需要固定的網絡基礎架構，具有快速展開、抗毀滅性強等優點，適于部署在野外或不適合人員值守的環境中，在戰場監視、環境監測、醫療、空間探索和災難搶險等特殊領域有著廣闊的應用前景。通過部署大量無線傳感器節點到監測區域，實時監測和采集網絡覆蓋區域內感知對象，并將大量詳實而有價值的傳感數據采用多跳的無線通信方式傳送到基站處理，處理后的信息提供給終端用戶。無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界有機的聯系起來，改變了人類與自然界的交互方式，實現了一種新的感知自然界的方式，被認為是能對21世紀產生巨大影響力的技術之一，在工業界、學術界以及軍事部門引起了廣泛的關注，并開展了許多相關研究。在無線傳感器網絡的各研究分支中，定位技術是無線傳感器網絡中關鍵的支撐技術。首先，在無線傳感器網絡的各種應用中，節點的感知數據必須與位置相結合，離開位置信息，感知數據是沒有意義的，如環境監測、醫療、森林火災監控等，離開了位置信息就無法確定事件發生何處，也不能夠采取有效及時的處理措施。其次，使用傳感器節點的位置信息能夠提高路由效率，節約能耗，增強網絡安全性及實現網絡拓撲的自配置等。然而，傳感器網絡規模通常比較大，給網絡中所有節點均安裝GPS收發器或者人工配置節點位置會受到成本、功耗、效率等問題的限制，甚至在某些場合可能無法實現，因此必須采用一定的機制實現無線傳感器網絡的自身定位，即開展適合無線傳感器網絡特點的定位技術研究。正是基于上述原因，定位技術在無線傳感器網絡的理論研究和應用中都有重要的意義，已經成為了一個研究熱點。本文主要針對靜態無線傳感器網絡模型的特點，以提高定位精度、提高定位覆蓋率、增加算法可擴展性為目標，開展適合不同網絡模型特點的定位技術及相關問題研究。 在20世紀70年代就誕生了傳感器節點間采用點對點的單向傳輸信息的第一代傳感器網絡雛形，這種網絡功能單一，布線復雜，應用范圍有限。隨著傳感技術的發展，節點具有獲取多種信息的綜合能力，并且采用串行或并行接口連接傳感控制器，組成了有信息綜合和處理能力的測控網絡，于是產生了功能相對強大的第二代傳感器網絡。這一代傳感器網絡中節點與現場控制站間的信號傳輸方式與第一代傳感器網絡的基本相同，但現場控制站間廣泛采用了RS23RS485等串行數據接口標準，實現了數字化通信。到了20世紀90年代后期，連接智能化現場設備和控制站間的現場總線技術，開始用于連接智能傳感器和傳感控制器，采用全數字、開放式的雙向通信模式，構成了局部測控網絡，也就是基于現場總線的第三代傳感器網絡。近年來，隨著無線通信技術、嵌入式計算、微電子技術的日益發展，出現了體積小，功耗低，價格低的微傳感器。這些微傳感器和微處理模塊以及無線通信模塊集成為無線微傳感器節點，這種節點具備感知、計算和通信能力等多種功能，能夠感知周圍的環境，并對數據進行一定的處理，同時可以通過無線通信方式實現節點間的相互通信和執行任務的協調。傳感器網絡進入了無線智能時代，傳感技術向集成化、微型化、網絡化和智能化方向發展。 通常在監測區域預先部署大量傳感器節點，這些節點通過自組織方式構建無線傳感器網絡， 整個網絡通常由傳感器節點(node)、匯聚節點(Sink)、互聯網和用戶界面等組成。傳感器節點以協作方式感知部署區域內監測對象和采集相關信息，采集數據在發送之前或者轉發過程中可進行信息預處理，然后遵循某種路由協議下，沿著網絡中的各節點進行逐跳傳輸，經過多跳路由后被傳遞到匯聚節點；匯聚節點也稱為數據中心(data center)或基站(basestation)，具有較強的處理能力、存儲能力和通信能力，是連通傳感器網絡與外部網絡、實現協議之間的通信轉換的一座橋梁。當數據由傳感器節點傳送到匯聚節點后，可以對數據進行過濾、融合等再處理，然后通過互聯網或衛星提供給用戶展現、分析。用戶也可以對傳感器網絡進行配置和管理，例如發送查詢請求或者分配監控任務等。無線傳感器網絡(WirelessSensorNetworks)一般指由大量隨機分布，具有感知、計算和無線通信能力的傳感器節點，采用自組織方式構成的網絡。無線傳感器網絡典型工作方式:使用飛行器將大量傳感器節點，數量從幾百到幾千個以上，拋撒到感興趣的觀測區域。各傳感器節點通過自組織方式組建無線通信網絡。隨機分布的傳感器節點借助內置的傳感器件觀察測量各自周邊環境中觀測對象信號，如熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號等，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多布線者感興趣的信息。網絡中，節點既是信息的采集和發出者，也充當信息的中繼者，采集的數據通過多跳路由到達網關(sinkNode)。網關是一個特殊的節點，可通過Intemet、移動通信網絡、衛星等與監控中心通信，也可利用無人機飛越網絡上空，通過網關采集數據，如圖 與傳統的無線網絡相比，無線傳感器網絡具有以下特點:。無線傳感器網絡節點一般由電池供電，而且在使用過程中也不能給電池充電或更換電池。因此無線傳感器網絡設計的基本原則就是要以節能為前提。傳感器節點由于受到低成本、小體積和低功耗的限制，其硬件、軟件資源非常有限。無線傳感器網絡一般是一個結構對等的網絡。無線傳感器網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的基礎設施。網絡中節點通信距離有限，如果希望與較遠的節點進行通信，需要通過中間節點多跳路由來實現。部分無線傳感器網絡是一個動態的網絡，節點可以隨處移動，絡的拓撲結構會隨時發生變化，因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。，分布密集。為了對一個區域執行監測任務，傳感器節點往往分布得非常密集。利用節點之間高度連接性來保證系統的容錯性和抗毀性。無線傳感器網絡是特殊的adhoc網絡。與傳統的adhoc網絡相比:目標場景是大批量大規模使用，需要盡量降低傳感器節點的成本。節點分布更加密集，能量更加有限。大多數情況下節點是靜止的。數據是被分散處理的，系統應根據需要盡早對數據進行處理以減少網絡的流量，降低功耗并提高系統效率。無線傳感器節點硬件結構簡單，一般由微機電系統(腸cr。Electr。Mechanissystem)，片上系統(SystemonChip)和無線通信技術模塊(wirel