基于距離優(yōu)化的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究.pdf

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1、基于距離優(yōu)化的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究溫龍飛2015年01月中圖分類號(hào)：TP393.0UDC分類號(hào)：004.75基于距離優(yōu)化的移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究作者姓名溫龍飛學(xué)院名稱自動(dòng)化學(xué)院指導(dǎo)教師張百海教授答辯委員會(huì)主席李曉理教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)控制科學(xué)與工程學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年01月StudyofLocalizationinMobileSensorNetworksBasedonDistanceRefinementCandidateName:LongfeiWenS

2、choolorDepartment：SchoolofAutomationFacultyMentor:Prof.BaihaiZhangChair,ThesisCommittee：Prof.XiaoliLiDegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交

3、的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過(guò)的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具備傳感、計(jì)算和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是否具備移動(dòng)能力，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)

4、和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)兩種。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集目標(biāo)區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的各種信息并最終發(fā)送到應(yīng)用終端。無(wú)論在國(guó)防軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)還是公共管理等相關(guān)領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)都具有非常廣泛的應(yīng)用前景。節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問(wèn)題之一，而節(jié)點(diǎn)之間的距離估計(jì)又是絕大多數(shù)定位算法的基礎(chǔ)。本文以多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，致力于更透徹地研究傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)。全文以設(shè)計(jì)出高效、高精度的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法為目的，通過(guò)理論分析、數(shù)字仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段進(jìn)行研究，并分別針對(duì)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的

5、定位問(wèn)題提出了一些新的思路和算法。本文首先對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題進(jìn)行深入分析。從靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)兩方面概述了現(xiàn)有傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)。對(duì)于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)研究了基于多維定標(biāo)技術(shù)和基于計(jì)算幾何的定位算法，并分析了因節(jié)點(diǎn)之間的距離估計(jì)存在誤差而導(dǎo)致的定位效率及精度較低的問(wèn)題。對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)探討了可移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃方式及基于概率模型的蒙特卡洛定位算法。在內(nèi)部含有空洞的靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的奇異性會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的距離估計(jì)誤差。本文將幾何知識(shí)引入到距離修正過(guò)程中，通過(guò)構(gòu)建虛擬空洞，根據(jù)線段間的幾何

6、關(guān)系優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，并與多維定標(biāo)技術(shù)相結(jié)合，提出了一種集中式的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法MDS-DO，該方法解決了在網(wǎng)絡(luò)存在空洞的情況下基于多維定標(biāo)的經(jīng)典定位算法適用性較差的問(wèn)題。仿真表明，該算法可以適用于存在多種類型空洞的網(wǎng)絡(luò)，能較好地修正節(jié)點(diǎn)間的距離信息并最終顯著地提高定位精度。針對(duì)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中因測(cè)距技術(shù)的不完善而形成的直接測(cè)距誤差，提出了一種幾何約束輔助的Voronoi圖定位算法VBGCA。該算法利用Cayley-Menger行列式的幾何應(yīng)用對(duì)距離關(guān)系進(jìn)行限制，從而得到關(guān)于測(cè)距誤差的約束方

7、程。當(dāng)存在多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)時(shí)，提出了一種以4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)的線性約束方程，并結(jié)合已有的二次約束，從理論上證明了多錨節(jié)點(diǎn)下距離約束的可行性。仿真和實(shí)驗(yàn)均表明，VBGCA算法可以較好地解決基于Voronoi圖的定位算法中存在的定位失敗問(wèn)題，并能在一定程度上減小定位誤差。I北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文為更好地解決不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在的距離估計(jì)誤差及由此引發(fā)的定位問(wèn)題，本文研究了錨節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并致力于充分發(fā)掘移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的其他輔助價(jià)值。針對(duì)內(nèi)部含空洞的傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用圖論等知識(shí)對(duì)空洞邊界做分布式探尋，并

8、利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)標(biāo)定空洞邊界節(jié)點(diǎn)，這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可用于優(yōu)化跨空洞節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)定位精度的提高。針對(duì)在節(jié)點(diǎn)分布正常的網(wǎng)絡(luò)中由多跳計(jì)算所導(dǎo)致的距離估計(jì)誤差，首先提出了一種基于幾何約束的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，該模型利用鄰居錨節(jié)點(diǎn)的信息對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行優(yōu)化；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合DV-Hop算法，提出了基于鄰居錨節(jié)點(diǎn)約束的分布式NAC-DL定位算法，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至待定位節(jié)點(diǎn)附近并輔助優(yōu)化距離信息。仿真和實(shí)驗(yàn)均表明，NAC-DL算法可以有效減小距離估計(jì)誤差并提高網(wǎng)絡(luò)整體定位精度。最后，提出了一種移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的