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基于连通性的无线传感器网络节点定位技术研究

作　者: 张强
导　师: 孙雨耕
学　校: 天津大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 无线传感器网络边界效应连通性节点定位移动信标支配集路径规划
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

作为一种全新的信息获取和处理技术,无线传感器网络自20世纪90年代中期兴起以来,在理论研究和应用实践等方面都取得了长足的进步。随着无线传感器网络实用化进程的不断推进,最初的应用设想正逐步成为现实,在国防军事、环境监测、智能家居、物流运输等诸多领域日渐发挥重要作用。在无线传感器网络中,连通性是网络进行可靠数据传输的基础,也是网络定位技术、拓扑控制、路由协议等正常运行的必要条件。节点定位技术是无线传感器网络的关键技术,是无线传感器网络中事件位置报告、目标跟踪、地理路由、网络管理等系统功能的基础。因此,对基于连通性的无线传感器网络节点定位技术进行研究有着重要的理论意义和实用价值。本文旨在探讨适用于无线传感器网络的节点定位技术,围绕无线传感器网络连通性及节点定位技术的特点,对基于连通性的无线传感器网络节点定位技术开展了研究,主要内容包括:(1)基于边界效应的无线传感器网络连通性研究。本文以节点的有效通信面积为基础,对边界节点的连通性和网络的整体连通性进行了理论推导,获得了在边界效应的影响下,无线传感器网络达到k点连通概率的近似上界。之后通过仿真研究,进一步分析了存在边界效应与消除边界效应后的网络中存在孤立节点的概率,网络的平均度、最小度期望,网络的连通度分布、连通度期望以及网络是k点连通的概率,说明了边界效应对无线传感器网络连通性的影响,并对存在边界效应情况下网络是k点连通概率的仿真值与计算值进行了比较分析,仿真结果验证了理论分析结果的正确性。基于边界效应的无线传感器网络连通性研究对于无线传感器网络节点个数的选择、节点通信半径的设定都有着一定的指导意义和参考价值,同时也为基于连通性的节点定位技术研究奠定了基础。(2)提出了一种基于邻节点分布估距的节点定位算法(LAND)。首先,提出了一种基于邻节点分布的距离估计算法(DEND),该算法通过建立成员节点属于某簇的邻节点的理论值和实际值的误差函数,从而估算出成员节点到相应簇头节点的最佳距离估计值。然后,在DEND算法的基础上,提出了LAND算法,该算法通过簇头节点定位、成员节点的邻节点信息统计、根据DEND算法估算距离和采用极大似然估计法进行定位四个步骤,完成未知节点的定位。最后,通过仿真,分析了边界定位区域对算法定位覆盖率的影响,以及信标节点所占比率、信标节点的部署形式对算法定位精度的影响,并且将LAND算法与典型的LAEP算法进行了比较分析。仿真结果表明:LAND算法可以达到较高的定位覆盖率;LAND算法在信标节点所占比率不高时,也可以达到良好的定位精度;LAND算法在信标节点成矩形分布时,其定位精度高于信标节点成三角形分布;在相同条件下,LAND算法的定位精度优于LAEP算法。(3)提出了一种基于虚拟簇的移动信标辅助定位算法(VCMBLA)。该算法以基于DEND算法的多跳距离估算方法和基于极小3-跳3-支配集的移动信标节点路径规划策略为基础。基于DEND算法的多跳距离估算方法用于估算虚拟簇成员节点和虚拟簇头节点之间的多跳距离,而基于极小3-跳3-支配集的移动信标节点路径规划策略的主要思想是对网络生成的极小3-跳3-支配集中的节点,采用流浪推销员算法进行遍历,从而规划出信标节点的优化移动路径,形成一系列虚拟簇头节点。仿真结果表明:当网络节点密度较大时,基于DEND算法的多跳距离估算方法能保持较小的平均距离估算误差;当网络的连通性较好时,VCMBLA算法能够达到较好的定位精度;与DV-Hop算法相比,在相同的信标节点比例条件下,当网络节点密度较大时,VCMBLA算法的定位精度要优于DV-Hop算法的定位精度;采用基于极小3-跳3-支配集的移动信标节点路径规划策略,VCMBLA算法的定位效率要优于采用Gauss-Markov模型所得的定位效率。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-32
  1.1 无线传感器网络简述  11-16
    1.1.1 无线传感器网络的主要特点  11-12
    1.1.2 无线传感器网络的应用领域  12-13
    1.1.3 无线传感器网络的研究进展  13-14
    1.1.4 无线传感器网络的主要研究课题  14-16
  1.2 无线传感器网络连通性的研究现状  16-18
    1.2.1 无线传感器网络的连通性分类  16-17
    1.2.2 无线传感器网络的连通性研究特点  17
    1.2.3 无线传感器网络的连通性研究进展  17-18
  1.3 无线传感器网络定位技术的研究现状  18-28
    1.3.1 无线传感器网络定位技术及其特点  18-19
    1.3.2 无线传感器网络节点定位的基本方法  19-22
    1.3.3 定位算法的分类  22-24
    1.3.4 典型的基于连通性的无线传感器网络节点定位算法  24-28
  1.4 本文的选题意义、主要内容、组织结构及创新点  28-32
    1.4.1 本文的选题意义  28
    1.4.2 本文的主要内容  28-29
    1.4.3 本文的组织结构  29-30
    1.4.4 本文的创新点  30-32
第二章基于边界效应的无线传感器网络连通性研究  32-55
  2.1 引言  32-33
  2.2 基本概念和相关模型  33-38
    2.2.1 图论的基本概念  33-34
    2.2.2 网络拓扑模型  34-35
    2.2.3 节点通信链路模型  35-36
    2.2.4 节点空间分布模型  36-37
    2.2.5 边界区域和边界节点  37-38
  2.3 边界节点的连通性与网络连通性分析  38-42
    2.3.1 边界节点的连通性分析  38-41
    2.3.2 网络连通性分析  41-42
  2.4 网络连通性仿真实验与仿真分析  42-53
    2.4.1 基本算法  42-46
    2.4.2 仿真实验方法  46
    2.4.3 仿真数据及分析  46-53
  2.5 本章小结  53-55
第三章基于邻节点分布估距的节点定位算法  55-76
  3.1 引言  55-56
  3.2 网络模型及参数定义  56-58
    3.2.1 节点部署形式  56-57
    3.2.2 网络部署策略说明  57-58
    3.2.3 参数定义  58
  3.3 基于邻节点分布的距离估计算法（DEND）  58-64
    3.3.1 局部相对坐标系  59
    3.3.2 基于邻节点分布的距离估计推导  59-64
  3.4 基于邻节点分布估距的节点定位算法（LAND）  64-67
    3.4.1 簇头节点位置信息的广播接收机制  65-66
    3.4.2 成员节点的邻节点分布信息统计  66
    3.4.3 成员节点到簇头节点的最佳距离估计  66-67
    3.4.4 成员节点利用极大似然估计法进行定位  67
  3.5 算法仿真与分析  67-75
    3.5.1 算法性能评价参数  67-68
    3.5.2 仿真平台及场景设置  68
    3.5.3 仿真实验与仿真结果  68-71
    3.5.4 算法性能分析  71-75
  3.6 本章小结  75-76
第四章基于虚拟簇的移动信标辅助定位算法  76-100
  4.1 引言  76-77
  4.2 基于DEND 算法的多跳距离估算方法  77-81
    4.2.1 网络模型及虚拟簇定义  77-78
    4.2.2 1 跳距离估算  78-79
    4.2.3 2 跳距离估算  79-80
    4.2.4 3 跳距离估算  80-81
  4.3 基于极小3-跳3-支配集的移动信标节点路径规划策略  81-87
    4.3.1 典型的移动信标节点路径规划模型  81-83
    4.3.2 支配集基本概念及相关定义  83-85
    4.3.3 极小3-跳3-支配集的生成算法及访问策略  85-87
  4.4 基于虚拟簇的移动信标辅助定位算法（VCMBLA）  87-91
    4.4.1 VCMBLA 算法描述  88-89
    4.4.2 移动信标节点的位置信息传播即虚拟簇的建立  89-90
    4.4.3 虚拟簇成员节点到簇头节点的距离估计  90
    4.4.4 虚拟簇成员节点的定位  90-91
  4.5 VCMBLA 算法仿真与分析  91-98
    4.5.1 算法性能评价指标  91-92
    4.5.2 仿真平台及场景设置  92-93
    4.5.3 仿真实验与仿真分析  93-98
  4.6 本章小结  98-100
第五章总结与展望  100-103
  5.1 全文总结  100-101
  5.2 研究展望  101-103
参考文献  103-114
发表论文和科研情况说明  114-115
致谢  115

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