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基于测距的无线传感器网络定位优化算法的研究

作　者: 马兵
导　师: 邢建平
学　校: 山东大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络节点定位非视距误差优化残差检测复杂度准确率均衡
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无线传感器网络是一种综合了传感技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信等技术而发展起来的现代网络技术,可以广泛应用于国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。未来传感器网络技术将成为现实世界和数字世界的接口,并深入到人们生活的各个层面。对该技术的深入研究将推动我国的信息化建设,并极大地带动相关产业和学科的发展,从而为国民经济带来新的增长点。节点定位技术作为无线传感器网络的关键技术,对传感网的运行起着核心的支撑作用。论文首先对无线传感器网络进行概述,介绍其结构和特点,然后介绍无线传感器网络的定位问题,重点对非视距环境中基于测距的定位算法进行论述。根据定位过程中是否测量实际节点间的距离,传感网中的定位算法通常分为基于距离的(range-based)定位算法和距离无关的(range-free)定位算法。其中,距离无关的定位算法精度较低,本文把研究重点放在基于距离的定位算法。在实际系统中,信号的传播并不总是沿着视距传播,如何消除或减小非视距误差(NLOS)对定位精度的影响是无线传感网络定位中的一个核心问题。近年来国内外这方面的研究可以概括为三类：第一类是视距重构算法,首先判断非视距信号,然后采用某种规则,重构视距环境下的信号；第二类是非视距加权,对非视距信号采用小的权值,对视距信号采用大的权值,从而减小非视距信号的影响；第三类是视距鉴别,即从信号中提取视距信号进行定位,这类算法有定位精度高的优点,本文主要针对这类算法进行研究。这类算法比较典型的是Yiu-Tong Chan提出的基于残差检测(RT)的算法,该算法对不同的信号进行分组,计算不同信号组合的残差平方,假定信号噪声为高斯分布,则残差平方和服从中心卡方分布,设定一个判决门限,统计每一组合残差平方和大于判决门限的数目,判断信号组合是否全为视距信号。由于该算法遍历所有分组,当可用锚节点数目较大时,计算量相当庞大,不适于无线传感网的实际应用。本文针对RT算法计算复杂度高的特点,在保证一定定位精度的前提下,创新性地提出IRT算法。该算法首先将距离测量值分为四个一组,如果残差最小的一组仅包含视距信号,再以该组与剩余距离测量值分别组合,检测残差最小的一组是否包含非视距信号,重复该步骤,直至选出所有视距信号。该算法经过优化,避免了对大量包含非视距信号分组的计算,降低了计算复杂度,同时充分利用可能的锚节点冗余,从而降低了系统误差的影响。基于IRT算法,在视距鉴别过程中,用同样满足高斯分布的LS估计代替复杂的AML估计,并进一步优化子分组划分方式,本文提出了复杂度计算量均衡算法(CATO),进一步降低了计算量。文中通过MATLAB 7.0对算法在不同的环境和参数下的性能进行了全面的仿真比较,结果表明,新算法的定位性能接近RT,而计算复杂度却大大降低。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
符号说明  12-13
第一章绪论  13-19
  1.1 研究背景  13-14
    1.1.1 项目支持  13
    1.1.2 课题背景  13-14
  1.2 无线传感器网络概述  14-17
    1.2.1 无线传感器网络的结构  14-15
    1.2.2 无线传感网络的特点  15-16
    1.2.3 无线传感网络的应用  16-17
  1.3 无线传感网络定位算法研究现状  17-18
  1.4 本课题的研究内容及结构安排  18-19
第二章无线传感网络中基于测距的定位算法  19-26
  2.1 基本概念  19
  2.2 基于测距的定位技术  19-23
    2.2.1 测距方法  20-21
    2.2.2 节点位置基本计算方法  21-23
  2.3 非视距误差(NLOS)  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章基于残差检测的无线传感器网络定位算法研究与分析  26-38
  3.1 传统残差检测算法(RT)  27-29
  3.2 优化的残差检测算法(IRT)  29-33
  3.3 复杂度准确率均衡算法(CATO)  33-36
  3.4 计算量分析  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章基于测距的定位算法性能仿真与分析  38-50
  4.1 误差模型和场景设定  39-40
  4.2 仿真分析与比较  40-48
    4.2.1 确定性非视距误差环境下的仿真分析与比较  40-43
    4.2.2 随机性非视距误差环境下的仿真分析与比较  43-46
    4.2.3 算法在不同环境下的适应性  46-48
    4.2.4 算法准确定位比率  48
  4.3 本章小结  48-50
第五章工作总结与展望  50-52
  5.1 工作总结  50
  5.2 工作展望  50-52
参考文献  52-56
致谢  56-57
攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目  57-58
学位论文评阅及答辩情况表  58

基于测距的无线传感器网络定位优化算法的研究

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