水下无线传感网络移动节点定位及目标跟踪关键技术研究

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近年来,海洋环境保护、资源的开发利用等需求越来越高,水下无线传感器网络作为探索和利用海洋的关键技术之一,也成为了一个研究热点。而水下传感器网络节点的位置信息是网络能够有效工作的关键之一。水下环境由于水流等因素比陆地环境更为复杂,且由于射频信号在水下传输衰减过大,不能用于水下信息的中长距离传输,只能考虑水声,因此,陆地无线传感器网络的技术不能直接应用于水下传感器网络。水下节点定位的主要问题:一是节点受水流等因素导致的移动性,二是传感器网络存在空洞和边缘问题,将导致部分节点无法完成定位。这将带来整个网络的节点定位误差大、定位覆盖度低等问题。当整个网络完成定位之后,可以利用传感器网络进行水下目标跟踪。由于水下节点主要由蓄电池供电,在不能补充能量的情况下,节点一旦能量耗尽即死亡,既造成网络空洞影响网络覆盖和性能,也增加了成本。实际中,由于水下环境的差异,节点之间通信距离的不同、及其在网络中扮演的角色各异等,会导致网络整体能耗不均衡,使网络寿命降低。针对上述问题,本论文对水下无线传感器网络的节点定位和目标跟踪技术展开了研究,主要完成如下工作。(1)给出了水下无线传感器网络的结构模型,分析了水下无线传感器网络存在的空洞和边缘问题、及其对节点定位和目标跟踪的影响,讨论了节点定位和目标跟踪技术。(2)提出了一种基于节点动态选择的移动预测定位算法。该算法根据节点密度的不同,通过动态选择节点策略,能有效解决网络空洞问题和边缘问题,且通过锚节点来预测节点的移动模式,能够很好地处理节点的移动性问题。仿真结果表明,该算法能降低定位误差,提高定位精度和定位覆盖度,提高网络的可靠性。(3)提出了一种基于能量均衡的粒子滤波目标跟踪算法。该算法针对网络能耗高和能耗不均衡问题,通过簇头节点每次调度最多四个节点工作,并且根据节点的剩余能量和其到簇头节点的距离加权和来选择合适的节点。仿真结果表明,该算法在保证一定跟踪精度的前提下,能有效降低各节点的能耗,并均衡整体网络能耗,延长网络寿命。
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