硕士论文_无线传感器网络定位算法的研究(编辑修改稿)

硕士论文_无线传感器网络定位算法的研究(编辑修改稿)内容摘要：

3。 33 第 5 章 仿真实验与性能分析 35 仿真平台介绍 35 网络部署 36 性能评价指标 37 仿真结果及分析 38 MDSMAP 算法及改进算法分析 38 dwMDS(G)算法及改进算法分析 42 本章小结 47 结 论 48 参考文献 50 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 53 致 谢 54 作者简介 55 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 研究背景 及研究意义 随着科技发 展步伐的加快 ， 如今 人类 所处的时代是一个充满挑战和机遇的 信息时代。 因而， 作为获取信息、传递信息的最基础的网络 —— 无线传感器网络的研究和应用发展非常迅猛。 目前非常热门的两个概念 —— 物联网与智慧地球，其核心技术就是无线传感器网络。 无线传感器网络 WSN(wireless sensor work)[1,2]是指由大量成本低廉的，具有感知能力 、无线通信能力 、计算能力的传感器节点 构成的网络。 它主要针对缺乏或 无法 建立通信基础设施的 区 域，通过大规模的、具有一定定位能力、通信能力、数据处理能力的传感器节点建立联系，提供 数据。 这种网络系统 在 国家安全、 国防军事、医疗卫生、 环境监测、 制造业、 交通管理、 灾难拯救 、 空间探索 等领域 [3,4]有着其他技术无可比拟的优势 ， 能够在任何时间、地点、 环境条件下获取可靠 而有用的信息。 在 美国商业周刊和 MIT技术评论 的有关 预测未来技术发展的报告 都 将 WSN列 入了 21世纪最有影响力的 21项技术和改变世界的 10大技术之 中。 全球未来的三大高科技产业 中最受重视的 也 是 WSN[5]。 通过 将 大量传感器节点 分布 于 要 监测 的 区域 中 来构建 WSN，从而使得人类跟客观世界 间相互通信的 方式有所改善。 其中 传感器节点的 位置信息是采集信息中不可缺少的，确定获取信息的节点 所在的 位置是提供监测事件位置信息的前提 ， 在 WSN的 应用 中 起着 至关重要 的作用 [6,7]。 其一 ， 节点自身位置的缺点是 WSN中的很多特定应用 的基础 ， 在 传感器 节点的 位置 信息未知的情况下， 所获取的传感器节点 感知的数据是 毫无 意义的 [8]。 比如在 军事应用 中 ， 对敌方军事目标的定位可以 决定是否需 集中 火力进行打 击 ；在 森林 中 发生火灾时 ， 监测发生火灾的具体区域与火势情况可以决定是否需要增加军力救助 等等。 其二 ， WSN的 运行和管理 仍 需 有 节点位置信息的协助。 例如 计算网络覆盖范围、控制网络的负载均衡、 对外部目标的定位和追踪、基于地理信息的路由、资源的有效配置等。 因此， 节点定位问题已成为 WSN的一个至关重要的研究课题。 毫无疑问， 获得节点位置信息的直接 方法 是 利用 全球定位系统 GPS(Global Positi oning System)。 GPS是 目前使用的最著名 的定位系统 [9]， 用 GPS系统获取传感器节点燕山大学工学硕士学位论文 2 位置信息 ，具有 较好的实时性 、 较 强 的 抗干扰能力、 较 高 的 定位精度 等优点。 但是，传感器节点成本低、电池供电、计算能力和通信能力有限 ，使得 GPS不适用于低成本自组织的无线传感器网络 ， 因为它没 有 考虑布网成本和能量消耗问题。 根据 WSN的特点 ，传感器节点的位置信息应该 以最小通信开销和 最低的 硬件代价来 获取。 所以 ，实现 WSN节点定位 不能全依赖 GPS系统来完成，只能是通过该系统获取少数节点的位置信息再通过其他的定位技术来实现其他大量节点的定位。 近年来，不少研究者们在 WSN定位技术方面已经取得了一定的研究成果，但是目前仍处于初级阶段，还有好多问题没有彻底解决，有一定的局限性。 国内外 研究现状 由于 WSN的应用前景非常广阔，它作为 21世纪 影响力巨大的全新技术之一，许多 国家学术界、军界和工业界 研究者们 在 其 有关 的 研究中都注入了大量的人力与物力。 传感器网络最初来源于美国先进国防研究项目局 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)的一个研究项目 [10,11]。 WSN的研究 是 20世纪 90年代 开始的 ，该网络 最早 是由 军事 领域 的有关人事提出的。 最初受客观条件的限制 ，传感器网络只能 应用于 军事领域 的一些 重要 项目中， 对其 推广 与 发展 是很 困难 的。 后来 随着相关 学科的不断发展 ， WSN逐渐 转向 民用， 在许 多领域 得到了大量研究者们的 广泛 而深入 的 研究。 近年来随着无线通信技术、 片上系统 、 MEMS的发展 与进步 ， WSN的理想蓝图 逐一 实现，其应用越来越广 泛 ， 从而 得到 了 研究者们 的 极度 关注。 WSN中的 定位技术是大多数 有关 WSN应用 的 支撑技术 和关键技术之一。 该技术是指 WSN通过特定 系统或算法来获取传感器 节点 的 位置信息。 这种自组织网络定位包括两种定位，一种是 节 点自身定位 ，另一种是 目标定位，前者是后者的基础。 进入 21世纪， 军界 、 学术界 和工业界 都 极 其 关注 有关 传感器网络技术 的研究与发展。 从 2020年开始， 许多有关 WSN节点定位研究成果的报告开始在 国际上陆续出现。 2020年， Nimpama Bulusu教授等 人 提出了 一种无需测距的定位算法 —— 质心算法 [12]， 此定位算法 是基于网络连通性 通过节点之间相互发送信息获得节点间的跳数信息 进行定位的 ； 适合部署在室内的传感器节点定位的 RADAR系统 是由 微软公司的Bahl P等人 开发 出的 唯一 一种 根据 的定位系统 [13]；加州大学伯克利分校的 Doherty等 人 ， 引入了“凸集” 这一概念 ，将整个网络模型 看作 一个凸第 1 章 绪 论 3 集， 那么就可以把 传感器节点的定位问题 看作一个 凸约束优化问题 [14]，其中 的几何约束 是 传感器 节点 间 的 通信连接； 同年， 麻省理工学院的 Priyantha N也开发出了一种室内定位系统 —— Cricket系统 [15,16]。 此系统 主要是 用 于获取 移动或静止 的传感器 节点所在房间 的 具体 位置 信息。 2020年， Srdjan Capkun等人提出了一种 针对无基础设施的移动无线网络的 相对定位算法 [17]； 2020年 8月， Akyildiz等 人 发表了 以 “ A Survey on Sensor Networks” 为题 的综述性学术论文 以来 ， 又一 次激发了学术界对WSN的研究兴趣。 2020年， Tian He等 人 提出了 一种 采用 求解约束集合 进行定位的APIT算法 [18]；哥伦比亚大学的 Shang Yi等人 在 MDS技术 ， 提出了 MDSMAP， MDSMAP(P)， MDSMAP(C)等几种集中式定位算法 [1922]。 随着集中式定位算法的研究趋于成熟 及 WSN规模的不断扩大 ， 如今大量的科研工作者们致力于研究 分布式 的 定位算法。 2020年， Niculescu教授 等人 提出 了 一系列分布式定位算法，包括 DVHop，DVDistance， DVCoordinate等算法 [23]。 2020年， 麻省理工学院的 RVSN和 NMS两个研究小组在“分布式传感器网络的定位与追踪”项目中提出 了 一种 分布式定位算法 ，该算法 是 通过 节点间 距离的 估计值 获取节点的二维坐标 信息 ，有 较高的覆盖率 [24]。 2020年 ， Costa J A, Patwari N等人 提出了 dwMDS(G)算法 [25]，该算法最终是通过优化加权的目标代价函数计算出节点的坐标。 近年来， 随着科学技 术的发展与 WSN实用价值的不断提升， 国内 的一些 高校和研究 所 也 开始对有关 WSN的理论和应用的研究工作 [26,27]， 2020年，在有关集成技术的国际会议上提出了一种自适应邻居选择的分布式定位算法 [28]。 2020年，北京交通大学的马震等提出了一种分布式的算法 MDSMAP(D)[29]。 本文主要研究 基于多维标度 分布式的定位算法。 目前已有 不少 研究者 对 这种定位算法 作了多方面的改进 ， 在 分布式的多维标 度定位算 法的改进研究中， 比如MDSMAP(P)定位算法 ， 是 Yi Shang等 人 通过对 经典 MDSMAP定位算法 分析， 发现当传感器 节点不是均匀分布或者 WSN的拓扑结构 不是规则形状时 (如 C形状 )， 若节点之间 相隔太远，最短路径长度跟欧氏距离是有很大差异的，且无法用线性关系来描述它们之间的关系。 于是， 针对 MDSMAP算法的不足， 引入了“补丁”这一概念，提出了 MDSMAP(P)定位算法 ； 文献 [30]是 一种基于 非度量多维标度技术的定位算法， 通过 多次 迭代 来 不 断修正距离和相异性 间的 单调关系的过程。 文献 [31]是利用Euclidean算法改进经典 MDSMAP算法中 估算 最短距离的方法， 但因为 Euclidean算法燕山大学工学硕士学位论文 4 由于 直接测量两节点 之间的 距离 时 ，受环境 因素 影响较大， 所以使得 该算法的。