无线传感器网络节点定位算法的研究与设计

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随着嵌入式计算、无线通信、分布式信息处理和微电子机械系统(MEMS)等技术的快速发展,具有感知、收集、数据处理和无线通信能力的无线传感器网络技术逐渐兴起,在军事、工业、民用等领域有巨大的应用价值和前景。 无线传感器网络由大量靠无线和多跳方式通信的智能传感器节点构成,这些传感器节点在布设时采取随机投放的方式,大多数的位置不能事先确定。对于很多应用,特别是对于军事应用中的战场信息侦测,目标位置信息对于我方发现和攻击具有重大意义,缺失位置信息的侦测信息将是毫无意义的。因此,在传感器网络中,传感器节点的自身定位是各种应用的前提和基础。 现有的无线传感器网络节点定位大多依赖于GPS定位系统、导标节点或基站等辅助系统的参与,且定位都只局限于二维平面的情况,在抗损毁性、扩展性、成本等诸多方面存在很大局限性。本论文针对军用无线传感器网络节点定位,提出了一种面向三维空间的不基于导标节点或GPS定位的完全自组织的节点自身定位算法。这种算法以实现单跳通信范围的局部相对定位为基础,再经由泛洪扩展到全网,把节点的相对位置方便地转化成为全网范围(全部节点连通区域内)的绝对位置。 局部定位是全网定位的基础,同时在单跳范围内,它可以作为一个独立的系统工作。该算法首先在三维空间中传感器节点的单跳通信范围内,利用节点间无线通信信号估算节点间的距离,再利用空间几何理论和三角函数选择空间四个不共面的节点建立起三维坐标系,为单跳范围内的其它节点实现局部定位。本文提出并验证了最简连通图算法、三维局部坐标系建立算法和局部点定位算法。通过仿真,验证了算法的有效性,并研究了影响定位精度的因素。 全网定位是局部定位在多跳传感器网络中的扩展。本文把多跳网络看作由若干单跳网组成,结合局部定位与有条件的泛洪,把定位区域逐渐扩大至全网,并利用坐标变换统一全网坐标系。本文提出了集中式和分布式两种全网定位算法,并提出边界局部点泛洪算法,以及坐标变换算法,解决了多跳传感器网络中节点的三维定位问题。通过仿真,研究比较了泛洪算法的性能和全网定位的精度。
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