畢業(yè)論文_無線傳感器網(wǎng)絡基于移動信標優(yōu)化路徑的定位算法研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 .................................... 19 DVHop Localization Algorithm.............................................................. 20 Nodes Localization Algorithm base on Mobile Beacon .......................... 23 Simulation Result ..................................................................................... 26 Improving DVHop Algorithm base on Mobile Beacon Dynamic Selection ..... 28 Analysis the Error Resource of DVHop Averager Hop Distance ........... 29 The Process of the Improving Localization Algorithm ........................... 31 Simulation Result ..................................................................................... 34 Summary of This Chapter................................................................................... 35 廣東工業(yè)大學碩士學位論文 VIII Chapter 4 Mobile Beacon Moving Path Optimization ........................................... 36 Analysis the Moving Model of Mobile Beacon ................................................. 36 RWP(Random Way Point) Moving Model .............................................. 36 GaussMarkov Moving Model................................................................. 37 Spire Moving Model ................................................................................ 38 Mobile Beacon Moving Path Optimization for WSNs....................................... 38 Mobile Beacon Path Planning base on Graph Theory ............................. 39 Simulation of the Mobile Beacon Path Planning ..................................... 40 Summary of This Chapter................................................................................... 42 Chapter 5 Simulation of Localzaition Algorithm base on Mobile Beacon............ 43 Introduction of Simulation Tools and Environment ........................................... 43 Introduction of OMNeT++ ...................................................................... 43 Localization Algorithm Performance Evaluation and Analysis ............... 44 Localization Algorithm Design base on Mobile Beacon.................................... 45 Programming and Modeling Localization Algorithm .............................. 46 Programming the Process of the Localization Algorithm ........................ 51 Performance Evaluation and Analysis of the Localization Algrithm base on Optimize Path ........................................................................................................... 52 Summary of This Chapter................................................................................... 55 Conclusion and Prospect ........................................................................................... 56 References ................................................................................................................... 57 Published Papers ........................................................................................................ 60 Participant Projects ................................................................................................... 61 Original Creative Statement ..................................................................................... 62 Acknowledgements .................................................................................................... 63 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 本論文的研究背景 及 意義 研究背景 與意義 無 線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器、嵌入式計算、分布式信息處理和無線通信等技術(shù)，由許多相同或不同類型傳感器節(jié)點通過無線通信實現(xiàn)自組織，形成分布式自治網(wǎng)絡。它打破了傳統(tǒng)的點對點的數(shù)據(jù)信息交互方式，帶來了一種全新的信息獲取和處理模式 [1] 。 無線傳感器網(wǎng)絡 (Wireless Sensor Networks， WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié) 點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并傳送給觀察者 [2] 。 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在部署時往往是不可控制的，比如在大型的無線傳感器網(wǎng)絡應用中，通常將節(jié)點撒播在很廣的區(qū)域里，網(wǎng)絡中大部分的節(jié)點的位置是未知的，事先不能確定，但無線傳感器網(wǎng)絡的大多數(shù)應用都需要知道網(wǎng)絡中節(jié)點的位置信息，才可能獲取到網(wǎng)絡中事件的發(fā)生位置和信息來源位置 。 因此， 定位是無線傳感器網(wǎng)絡的主要應用領(lǐng)域之一，對于大多數(shù)應用，不知道節(jié)點位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。只有在傳感器節(jié)點自身正確定位后，才能確定傳感器節(jié)點監(jiān)測到的事件及信息發(fā)生的具體位置 [3] 。節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現(xiàn)對外部目標的定位和追蹤。 此外，在設(shè)計路由協(xié)議時利用 節(jié)點位置信息還可以提高路由效率，為網(wǎng)絡提供命名空間，向 網(wǎng)絡 部署者報告網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡的負載均衡以及網(wǎng)絡拓撲的自配置 [4] 。因此，節(jié)點的定位問題已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡的一個重要的研究方向 。 傳感器節(jié)點自身定位就是一種通過估計至鄰居節(jié)點的距離或鄰居數(shù)目，利用節(jié)點間的信息交換來確定各節(jié)點自身位置的機制。在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點能夠自主確定位置被認為是其基本能力和系統(tǒng)的基本服務之一。對于 WSN 來說，人工廣東工業(yè)大學碩士學位論文 2 部署或為所有網(wǎng)絡節(jié)點配置 GPS 裝置都會受到成本、功耗、拓展性等問題的限制，因此，尋求 WSN 自身定位機制成為許多研究機構(gòu)和學者共同探討的問題 [4] 。 無線傳感器網(wǎng)絡中，根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離，把定位機制分為：基于測距的 (rangebased)定位和距離無關(guān)的 (rangefree)定位方法 [5] 。前者需要測量相鄰節(jié)點間的絕對距離或方位，然后利用該實際距離來確定未知目標節(jié)點位置；后者則僅利用節(jié)點間距離關(guān)聯(lián)關(guān)系計算目標節(jié)點位置。 Rangebased算 法通過測量相鄰節(jié)點間的實際距離或方位進行定位，測量距離的具體的方法有Time of Arrival(TOA) [6] ， Time Difference of Arrival(TDOA)[7] ， Radio Signal Strength(RSSI)[8] 和 Angle of Arrival(AOA)[9] 等。 Rangebased 算法能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，但由于需要在節(jié)點中加入 GPS 或其它附加的測距的硬件設(shè)備，在實際應用中所需的成本較高。而 Rangefree 定位算法由于降低了對節(jié)點硬件的要求，引起了更多的關(guān)注，典型算法有 DVHop[10] 算法 ,基于 RSSI 的 DVHop[11] 算法 ,基于連通性的定位算法 [12] 等。 目前基于距離的定位算法都是利用靜態(tài)的幾何關(guān)系來確定節(jié)點位置，且對信標節(jié)點的布置和密度要求高，如三邊、多邊測量定位、基于角度測量定位等算法，都需要移動節(jié)點至少獲得 3 個或者 3 個以上信標節(jié)點提供的坐標和距離 [13] 。另一種思想則是使信標或者 信標 運動起來，通過帶有 GPS 的已知位置的移動 信標按某一規(guī)劃好的路徑或運動模型遍歷未知節(jié)點的區(qū)域，并發(fā)送定位信號，其它節(jié)點獲取這些信號來進行定位計算。 動態(tài)算法的研究是最近興起的一個熱點，理論還不完善，有別于靜態(tài)算法所涉及的都是固定節(jié)點，其主要是討論對傳感網(wǎng)中移動節(jié)點定位的方法 [14] ，包括待測節(jié)點的運動和信標節(jié)點的運動。當然從理論上講，完全可以借鑒靜態(tài)已有的成熟算 法，計算出特定時刻的節(jié)點位置，但因為節(jié)點的運動，對定位算法的實時性要求較高，通常的改進方法是加入對節(jié)點運動的預測估計 [15] ，或是使定位算法能自動適應不同節(jié)點運動的方式，從而提高對運動節(jié)點的定位準確性。 雖然節(jié)點的移動性使定位過程復雜化，但是利用節(jié)點的移動性可提高定位精度，減少定位代價。在 Bergamo 等的研究中，網(wǎng)絡中有 2 個固定的 信標 向全網(wǎng)傳送坐標信息，其余處于運動狀態(tài)的節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度進行自身定位[16] 。 國內(nèi)外學者對定位問題進行了大量研究，提出了幾種比較典型的定位算法第一章 緒 論 3 [17] 。但這些算法普遍存在以下局限 [18] ：① 依賴特殊硬件的支持；② 需要特殊的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。而在無線傳感器網(wǎng)絡中引入移動節(jié)點，可以增強其功能。如文獻 [19] 通過將幾個未知節(jié)點移動到網(wǎng)絡節(jié)點密度相對稀疏的區(qū)域以彌補節(jié)點密度分布不均勻的不足。文獻 [20] 提到利用移動參考節(jié)點和 RSSI(接收信號強度指示 )方法對未知節(jié)點進行定位，但是在現(xiàn)實環(huán)境中，溫度、障礙物、傳播模式等條件往往都是變化的，使得 RSSI 技術(shù)在實際應用中仍然存在困難。尤其是節(jié)點對能耗，體積等要求嚴格時，更多的時候并不能應用這種基 于測距的定位技術(shù)。 免測距的定位算法不需要測量節(jié)點間的距離，而是利用距離矢量路由、網(wǎng)絡連通情況或者 GPS 定位等思想提出的一種分布式定位方法，無需測距，這無疑降低了組網(wǎng)成本。但由于沒有相應的硬件測距支持，定位存在一定程序的誤差，當網(wǎng)絡中存在障礙物時，節(jié)點間的歐氏距離會因為彎曲路徑而產(chǎn)生較大的誤差，精度也相應的降低 [21] 。因此如何提高這種免測距定位算法的精度也成為了一個研究的熱點方向。 課題來源