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无线传感器网络节点三维定位算法研究

作　者: 李思瑾
导　师: 祁荣宾
学　校: 华东理工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 无线传感器网络 节点三维定位 分布式算法 蜂群算法 路径规划
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近年来,无线传感器网络技术高速发展,广泛应用于环境、军事、安全、工业及家居等领域。作为无线传感器网络的基础技术之一,传感器节点的定位问题也越来越得到人们的重视。目前无线传感器网络在二维平面上的节点定位问题的研究已经趋于成熟,但是在三维空间中的节点定位问题更为复杂,成果还不够丰富,仍然有待深入研究。因此,提出高精度、高效率、计算复杂度低、节点通讯数据量小、更加适合分布式结构的节点三维定位算法迫在眉睫。本文在无线传感器网络三维空间内的网络拓扑结构的基础上,研究提出了一种基于测距的分布式算法——高精度迭代三维定位算法(ILAH-3D),可以满足无线传感器网络三维空间应用中对节点定位的要求。另外,针对ILAH-3D对初始锚节点较为依赖的特点,本文使用移动锚节点代替固定锚节点,结合蜂群算法,提出了一种新的路径规划方法——ILAH-3D路径。本文还通过仿真实验对ILAH-3D算法和ILAH-3D路径的有效性和性能进行进一步验证和考查。本文的主要工作包括：(1)针对无线传感器网络三维空间节点定位问题,提出了ILAH-3D算法。算法继承经典的二维节点定位算法AHLOS的算法框架,并扩展到三维空间,进行改进。ILAH-3D是基于测距,使用锚节点信息对未知节点进行定位,精度高；引入加权思想对最小二乘法进行改进,削减测距误差带来的影响；提出一种基于向量的节点坐标求解方法,计算复杂度低,降低了算法的运算量；采用分布式运算,降低了节点的通讯量；采用协作和迭代的方式提高锚节点的利用率。通过仿真实验验证,ILAH-3D算法的定位效果较好,不仅节点定位比例高,而且具有很高的精度。(2)针对ILAH-3D算法对初始锚节点比较依赖的特点,采用移动锚节点来代替固定式锚节点的方法来提高锚节点利用率,降低系统成本。为了提高移动锚节点的效率,缩短其运行路径长度,设计了一种由移动锚节点直接对待定位节点进行定位的方法,其定位精度和误差范围都在可控的范围内。(3)在上述移动锚节点定位方法的基础上,设计了ILAH-3D路径,采用蜂群算法求解最优遍历路径。通过仿真实验证明,ILAH-3D路径不仅可以完成对待定位节点的遍历、定位,并且在ILAH-3D算法需求的网络环境中,路径长度较优,同时,蜂群算法处理该问题的性能出色。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 课题研究意义  10
  1.3 无线传感器网络定位研究现状  10-11
  1.4 本文结构安排  11-13
第2章 无线传感器网络节点定位算法  13-24
  2.1 无线传感器网络概述  13-14
    2.1.1 无线传感器网络的网络结构  13-14
    2.1.2 无线传感器网络的特点  14
  2.2 无线传感器网络定位描述  14-15
  2.3 无线传感器网络节点定位算法分类  15-17
    2.3.1 基于锚节点和无锚节点的定位算法  15
    2.3.2 基于距离定位算法和距离无关的定位算法  15-16
    2.3.3 递增式和并发式的定位算法  16
    2.3.4 集中式与分布式定位算法  16-17
  2.4 节点定位算法的性能评价标准  17-18
  2.5 经典的无线传感器网络定位算法  18-22
    2.5.1 APS定位算法  18-19
    2.5.2 Amorphous定位算法  19
    2.5.3 MDS-MAP定位算法  19-20
    2.5.4 Cooperative ranging和Two-phase positioning定位算法  20
    2.5.5 质心定位算法  20
    2.5.6 凸规划定位算法  20-21
    2.5.7 APIT定位算法  21
    2.5.8 SPA定位算法  21-22
  2.6 节点三维定位算法简介  22-23
  2.7 本章小结  23-24
第3章 高精度迭代三维定位算法  24-40
  3.1 无线传感器网络三维定位问题描述  24-25
  3.2 AHLos定位算法  25-26
  3.3 ILAH-3D算法  26-34
    3.3.1 节点测距及分类  26-27
    3.3.2 三维原子算法  27-28
    3.3.3 向量求解节点坐标方法  28-29
    3.3.4 约束协作算法  29-32
    3.3.6 条件迭代算法  32-33
    3.3.7 算法流程图  33-34
  3.4 仿真与分析  34-38
    3.4.1 定位节点比例  35
    3.4.2 加权最小二乘法和迭代误差  35-37
    3.4.3 定位精度  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第4章 ILAH-3D移动锚节点路径规划  40-64
  4.1 移动锚节点路径规划研究概述  40-43
  4.2 ILAH-3D算法中移动锚节点的功能  43-48
    4.2.1 移动锚节点的目标  43-44
    4.2.2 移动锚节点定位方法  44-46
    4.2.3 移动锚节点的移动方式  46-48
  4.3 ILAH-3D路径规划  48-50
    4.3.1 两节点之间的路径选择  48-49
    4.3.2 旅行商问题  49
    4.3.3 全局最优路径规划  49-50
  4.4 利用蜂群算法求解ILAH-3D最优路径  50-56
    4.4.1 蜂群算法基本原理  50-51
    4.4.2 蜂群算法求解最佳路径  51-54
    4.4.3 算法流程图  54-56
  4.5 仿真与分析  56-63
    4.5.1 不同数量节点的路径规划  56-59
    4.5.2 不同路径规划方法比较与分析  59-61
    4.5.3 不同智能算法比较与分析  61-63
  4.6 本章小结  63-64
第5章 总结与展望  64-66
  5.1 本文工作总结  64
  5.2 工作展望  64-66
参考文献  66-71
致谢  71-72
攻读硕士期间发表的论文  72

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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