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无线传感器网络非测距和光带辅助定位研究

作　者: 邓彬伟
导　师: 黄光明
学　校: 华中师范大学
专　业: 无线电物理
关键词: 无线传感器网络非测距定位质心定位网格定位光带定位
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着嵌入式系统、微电机系统、处理器、存储技术以及无线电技术的飞跃发展孕育了无线传感器网络这项新兴技术。无线传感器网络是一种由成百上千的带有传感元件、信息处理元件和通信元件的传感节点组成的自组织网络。广泛应用于森林火灾、洪水监测、环境保护、工业、农业、军事和抢险等领域。低成本、低功耗、大规模无线传感器网络提供了一种全新的信息获取和信息处理方式,扩展了现代网络的功能和人类认识世界的能力,成为当前一个热点研究领域并被认为是能对21世纪产生巨大影响力的技术之一。也必将成为物联网核心技术之一。作为无线传感器网络支撑技术的定位技术一直是研究的热点问题。在无线传感网络应用中,感知数据必须带有位置信息才有意义,如果缺少位置信息,则在环境监测、森林火灾监控等领域则无法及时有效的处理。低成本、低功耗、低运算量和高定位精度的无线传感器网络定位算法是当前研究中需进一步研究的热点问题之一论文首先从非测距分布式定位方法为出发点,针对质心定位算法受锚节点分布不均匀而定位精度降低的情况,提出了一种改进的质心算法(CSA)。定位精度相对多跳质心算法得到10%提高。接着根据未知节点必定处于周围—跳锚节点通信半径范围内重叠区域中的基本事实,提出了基于非测距的分布式intersection-grid-sector (IGS)定位算法。IGS算法以锚节点通信半径的10%作为网格大小来获取重叠区域,并把重叠区域的每个网格坐标求质心作为未知节点估计坐标,仿真结果表明比Bonding Box精度明显提高,比经典质心提高近20%。RSSI-IGS在IGS基础上引入RSSI测得最近一跳锚节点与未知节点间的距离作为参考距离信息,从重叠区域坐标中找到最接近未知节点的值求质心获得未知节点估计值。仿真结果表明,RSSI-IGS相对IGS精度有很大提高。然后,从目标跟踪的逆向方法出发,提出了一种采用可移动节点在未知节点布设区域上空进行行列扫描,同时发射相应标识信号给未知节点的定位算法——LA-SCAN。算法具有节点定位的通信能耗低、计算公式简单等优点。最后,结合网格、光带和移动定位策略分析、设计、实现了称为光扫描定位(BLS)的方案。BLS通过带有光带装置的移动定位助理(LA)对未知节点布设区按一定间隔光照扫描和发射相应的标识号,未知节点只需要扫描间距、布设区起点位置和接收到的标识号即可计算出估计坐标。其精度可达到十几厘米(sub-meter)。并且给出了两类4种不同的定位模式。理论分析、比较与实验表明BLS有效可行。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 无线传感器网络  11-14
    1.1.1 无线传感器网络历史与进展  11-13
    1.1.2 无线传感器网络结构与特点  13-14
  1.2 研究背景及意义  14-17
  1.3 无线传感器网络研究的趋势  17
  1.4 论文结构和主要创新点  17-19
第二章无线传感器网络定位方法  19-28
  2.1 定位问题的由来  19
  2.2 定位问题的基本原理  19-24
    2.2.1 确定距离  19-20
    2.2.2 推算位置  20-22
    2.2.3 求精  22-24
  2.3 定位算法分类  24-25
    2.3.1 集中式与分布式定位算法  24
    2.3.2 测距与非测距定位算法  24
    2.3.3 移动信标与固定信标定位算法  24
    2.3.4 光定位算法  24-25
    2.3.5 安全与非安全环境下定位算法  25
  2.4 定位算法研究简介  25-27
  2.5 小结  27-28
第三章基于非测距无线传感器网络定位算法  28-40
  3.1 质心与改进质心算法  28-33
    3.1.1 质心算法  28
    3.1.2 CSA算法和原理  28-31
    3.1.3 实验分析和仿真  31-33
  3.2 网格定位与改进  33-39
    3.2.1 IGS算法  33-35
    3.2.2 RSSI-IGS算法  35
    3.2.3 仿真分析  35-39
  3.3 小结  39-40
第四章移动信标定位算法  40-51
  4.1 移动信标算法原理  40-41
  4.2 LA-SCAN算法  41-42
  4.3 算法分析和仿真  42-48
    4.3.1 理想情况下定位误差  42-44
    4.3.2 Rla误差下定位误差分析  44-45
    4.3.3 gap误差下定位误差分析  45-46
    4.3.4 定位覆盖率的影响  46-47
    4.3.5 定位算法误差比较  47-48
  4.4 实验与分析  48-49
  4.5 定位时间问题  49-50
  4.6 本章小结  50-51
第五章基于光带定位算法  51-71
  5.1 光带定位的提出  51-52
  5.2 BLS方案原理  52
  5.3 BLS-IA  52-54
    5.3.1 RCLS  52-54
    5.3.2 OOS  54
  5.4. BLS-OA  54-55
  5.5 BLS算法分析  55-59
    5.5.1 理想估计误差  55
    5.5.2 光带区域波动下定位误差  55-57
    5.5.3 光照移动间隔关系  57-58
    5.5.4 光带长度和宽度变化  58-59
  5.6 步进电机控制  59-60
  5.7 BLS时间  60
  5.8 代价函数  60-61
  5.9 BLS实验与分析  61-69
    5.9.1 BLS-IA实验与分析  61-65
    5.9.2 BLS-OA实验与分析  65-69
    5.9.3 BLS定位模式优缺点比较  69
  5.10 有关光定位的几点说明  69
  5.11 小结  69-71
第六章全文总结与展望  71-73
  6.1 全文总结  71
  6.2 展望  71-73
参考文献  73-83
攻读学位期间取得的研究成果  83-84
致谢  84

无线传感器网络非测距和光带辅助定位研究

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