基于图刚性理论的无线传感器网络可定位性研究

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近年来,无线传感器网络作为一种新兴的无线网络技术,已经在工业、农业、军事、环境监测和救灾抢险等领域得到了广泛应用。在许多应用中,节点位置至关重要,离开位置信息,监测事件或者感知数据也失去了实际应用价值。但是在现实应用中所部署的传感器网络并非总是可以实现定位,通常情况下大约70%的节点可以实现定位,在特殊情况下90%的网络拓扑中仅有50%的节点可定位。因此本文将围绕无线传感器网络中节点的可定性问题,针对现有研究的不足,结合无线传感器网络的特点,对无线传感器网络中节点可定位性的判定方法和调整方法进行了深入研究。论文研究内容包括:(1)综述了传感器网络可定位性问题的支撑理论-图刚性理论,其中包括图刚性的基本概念、结论以及基于图刚性理论所设计的高性能算法,为后续算法的设计和改进奠定了理论的基础。(2)提出了对wheel算法的改进方法。Wheel算法作为高性能的可定位性判定算法,由于其分布式的特点,得到了广泛的应用。wheel算法在可定位性判定时要求单一轮图中至少含有三个锚节点,可定位性判定条件较强,因此算法存在启动难和过早停机的问题。本文通过对图刚性理论的深入研究,提出了对wheel算法的改进方法。该方法首先定义了一组最简整体刚性单元,邻居轮图间通过识别单元结构而形成有效协作,共享邻居轮图中锚节点的信息。这种协作的方式不仅提高网络中导标节点的利用率,又平衡网络结构刚性判定的复杂性。(3)提出了移动锚节点辅助的细粒度网络可定位性调整方法-MFA(Mobile-Assisted Fine-Grained Adjustment)算法。首先,针对现有研究中面向定位的细粒度调整算法对场景条件要求严格的问题,MFA算法采用了移动锚节点辅助的方法,使得辅助后的网络能够满足现有研究中细粒度调整算法的前提条件,使得算法的适用性增强。其次,现有研究中的细粒度调整算法将冗余边添加到网络中,在MFA算法中给出了改进的方法,并证明了改进后细粒度调整算法的最优性。(4)开发了能够模拟改进无线传感器网络定位方式的软件,其中主要包括四大功能:初始化部署、可定性判定、可定位性调整和定位计算。并利用该软件对想定案例进行了分析,从而验证了该定位方式的合理性以及本文提出算法的有效性。
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