无线传感器网络中定位算法的仿真和比较
摘 要无线传感器网络（WSN）得到了广泛应用，包括国土安全、检测太空资源和潜在的人为太空威胁、检测地表水土、国防情报收集、环境监测、天气和气候的分析及预测战场检测和监控、探测太阳系和其它星系，检测地震加速度、张力、温度、风速和GPS数据。无线传感器网络节点定位方面的研究和应用具有至关重要的意义，是无线传感器网络中的一个研究热点。节点定位算法主要可以分成需要测距的定位算法和无需测距的定位算法两类：前者尽管有相对高的定位精确度，但对节点的硬件提出很高的要求，定位过程中也往往消耗比较多的能量，因此不适合大规模WSN的应用；而无需测距的定位技术在不需要复杂硬件设备的情况下能提供足够的定位精度，不需测量节点间的实际距离，仅利用网络连通信息来对节点进行定位。因此，该类算法不受测量误差的影响，在成本和功耗方面与前者相比也具有显著优势，所以本文将重点研究了无需测距的定位算法。本文主要对无线传感器网络的节点定位技术进行了介绍，并描述分析了质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法几种典型的距离无关定位算法的原理，并对四种算法进行了仿真分析比较，采用控制变量的方法，依次改变网络区域边长、节点总数、信标节点比例和通信半径，比较四种算法的平均定位误差和定位覆盖率。根据所得结果分析四种算法性能表现的优劣，在各种不同的WSN中推荐合适的、性能较优的算法，为其他研究者提供参考。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 选题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的研究内容和结构 2
第2章 无线传感器网络 3
2.1 无线传感器网络概述 3
2.2 网络体系结构 4
2.3 网络节点 5
2.4 网络特点与性能评价 5
2.5 网络应用 7
第3章 无线传感器网络定位技术 9
3.1定位中的挑战 9
3.2定位技术 11
3.3典型的定位算法 16
3.3.1质心定位算法 16
3.3.2 DVHop定位算法 17
3.3.3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
Amorphous定位算法 18
3.3.4 APIT算法 19
第4章 典型的定位算法的仿真和比较 22
4.1 仿真软件MATLAB简介 22
4.2 仿真场景设定 22
4.3 典型的定位算法的仿真和比较 23
4.3.1平均定位误差与网络区域边长的关系 23
4.3.2定位覆盖率与网络区域边长的关系 24
4.3.3平均定位误差与节点总数的关系 25
4.3.4定位覆盖率与节点总数的关系 26
4.3.5平均定位误差与信标节点比例的关系 27
4.3.6定位覆盖率与信标节点比例的关系 28
4.3.7平均定位误差与通信半径的关系 29
4.3.8定位覆盖率与通信半径的关系 30
第5章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 32
致谢 36
附录 英文翻译 37
第1章 绪论
1.1 选题背景和研究意义
自2000年以来，电子信息技术有了飞跃式的发展，设计和开发低成本、低功耗、多功能、体积小且可进行短距离无线通信的传感器节点已成为可能，这些已具备感知、数据处理和通信功能的微小传感器的功能正在不断增强，促进了基于大量传感器节点相互协作的WSN的实现。
WSN的应用非常广泛，它正在慢慢的融入我们的生活之中，并拥有不可或缺的地位[1]。近年来，大量的研究成果促进了针对特定感知和监测应用需求的WSN的部署实施。在WSN的应用中，传感器节点所采集到的信息必须结合其在测量区域内的定位信息才具有实用价值，所以，实现节点定位对WSN影响重大[2]。
GPS是一种比较好的定位方法，但是，由于传感器节点受限于它的体积、能量消耗及生产的成本，用GPS接收器对节点定位并不具有完全可行性，而且传感器网络很可能处于卫星信号不能覆盖的地方，所以还必须针对WSN传感器节点设计合适的不依赖于GPS的能耗较低的定位算法。
传感器节点的定位有如下亟待解决的问题[3]：（1）大小限制和制造成本使节点无法使用具有复杂构造的硬件；（2）节点的高密度分布是基于较为准确的定位结果；（3）能量限制的要求。
因此，对有代表性的定位方法进行仿真实验并比较各类方法之间的不同，有助于选出不同WSN环境下最适合的定位方法。
1.2 国内外研究现状
无线传感器网络的目的是有效的连接自然界和计算机世界，可以大范围应用在军事方面、环境方面、医疗卫生方面、智能家居方面和工业和商贸方面等领域[4]，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，重点进行相关研究；美国加州大学伯克利分校对WSN的研究是最早开始的，研究涉及的内容系统而全面，并已研制成功TinyOS操作系统。此外，南加州大学、加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学、麻省理工学院等著名大学也针对WSN中的热点和难点问题进行了研究并有了突破性的进展[5]；此外，摩托罗拉、英特尔、霍尼韦尔等著名公司发起成立了ZigBee产业联盟，共同投入到WSN技术的研究和发展之中。
我国在WSN方面的研究水平在全球中并不处于领先地位，国家自然科学基金委员会自2003年开始连续几年将WSN列为重点资助项目，课题涉及传感器网络的各个方面；目前，中国科学院、中国科技大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京科技大学、中国石油大学和北京邮电大学等正在开展该领域的研究工作[6]。
1.3 本文的研究内容和结构
第一章 绪论，介绍了选题背景和研究意义，国内外科研现状和论文的组织结构；
第二章 从WSN的定义、体系结构、网络中的节点等几个方面进行描述，介绍了WSN的特点和应用领域；
第三章 对WSN的节点定位技术进行了简要介绍。重点介绍了一些典型的无需测距的定位算法，分析了Centroid算法、DVHop算法、Amorphous算法和APIT算法的原理；
第四章 对Centroid算法、DVHop算法、Amorphous算法和APIT算法四种算法进行了仿真分析与比较；
第五章 总结与展望。总结了本课题主要实现的研究性任务，并对今后的研究进行了规划和展望。
第2章 无线传感器网络
2.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是信息感知和数据采集领域的一场革命，很大程度上改变了人们的生活，是21世纪最重大技术之一[79]。
1.无线传感器网络的定义
随着MEMS和信息技术的进步，制造成本低、灵巧、可移动、功能强大的节点成为可能，也更具有应用价值；目前，WSN已等同于无线Ad hoc网络。Ad hoc网络是一个无需固定的设备，集中无线、可移动、节点自组织等特点形成的网络，绝大多数的无线传感器网络（以下简称WSN)都采用无线Ad hoc网络的体系结构。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 选题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的研究内容和结构 2
第2章 无线传感器网络 3
2.1 无线传感器网络概述 3
2.2 网络体系结构 4
2.3 网络节点 5
2.4 网络特点与性能评价 5
2.5 网络应用 7
第3章 无线传感器网络定位技术 9
3.1定位中的挑战 9
3.2定位技术 11
3.3典型的定位算法 16
3.3.1质心定位算法 16
3.3.2 DVHop定位算法 17
3.3.3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
Amorphous定位算法 18
3.3.4 APIT算法 19
第4章 典型的定位算法的仿真和比较 22
4.1 仿真软件MATLAB简介 22
4.2 仿真场景设定 22
4.3 典型的定位算法的仿真和比较 23
4.3.1平均定位误差与网络区域边长的关系 23
4.3.2定位覆盖率与网络区域边长的关系 24
4.3.3平均定位误差与节点总数的关系 25
4.3.4定位覆盖率与节点总数的关系 26
4.3.5平均定位误差与信标节点比例的关系 27
4.3.6定位覆盖率与信标节点比例的关系 28
4.3.7平均定位误差与通信半径的关系 29
4.3.8定位覆盖率与通信半径的关系 30
第5章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 32
致谢 36
附录 英文翻译 37
第1章 绪论
1.1 选题背景和研究意义
自2000年以来，电子信息技术有了飞跃式的发展，设计和开发低成本、低功耗、多功能、体积小且可进行短距离无线通信的传感器节点已成为可能，这些已具备感知、数据处理和通信功能的微小传感器的功能正在不断增强，促进了基于大量传感器节点相互协作的WSN的实现。
WSN的应用非常广泛，它正在慢慢的融入我们的生活之中，并拥有不可或缺的地位[1]。近年来，大量的研究成果促进了针对特定感知和监测应用需求的WSN的部署实施。在WSN的应用中，传感器节点所采集到的信息必须结合其在测量区域内的定位信息才具有实用价值，所以，实现节点定位对WSN影响重大[2]。
GPS是一种比较好的定位方法，但是，由于传感器节点受限于它的体积、能量消耗及生产的成本，用GPS接收器对节点定位并不具有完全可行性，而且传感器网络很可能处于卫星信号不能覆盖的地方，所以还必须针对WSN传感器节点设计合适的不依赖于GPS的能耗较低的定位算法。
传感器节点的定位有如下亟待解决的问题[3]：（1）大小限制和制造成本使节点无法使用具有复杂构造的硬件；（2）节点的高密度分布是基于较为准确的定位结果；（3）能量限制的要求。
因此，对有代表性的定位方法进行仿真实验并比较各类方法之间的不同，有助于选出不同WSN环境下最适合的定位方法。
1.2 国内外研究现状
无线传感器网络的目的是有效的连接自然界和计算机世界，可以大范围应用在军事方面、环境方面、医疗卫生方面、智能家居方面和工业和商贸方面等领域[4]，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，重点进行相关研究；美国加州大学伯克利分校对WSN的研究是最早开始的，研究涉及的内容系统而全面，并已研制成功TinyOS操作系统。此外，南加州大学、加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学、麻省理工学院等著名大学也针对WSN中的热点和难点问题进行了研究并有了突破性的进展[5]；此外，摩托罗拉、英特尔、霍尼韦尔等著名公司发起成立了ZigBee产业联盟，共同投入到WSN技术的研究和发展之中。
我国在WSN方面的研究水平在全球中并不处于领先地位，国家自然科学基金委员会自2003年开始连续几年将WSN列为重点资助项目，课题涉及传感器网络的各个方面；目前，中国科学院、中国科技大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京科技大学、中国石油大学和北京邮电大学等正在开展该领域的研究工作[6]。
1.3 本文的研究内容和结构
第一章 绪论，介绍了选题背景和研究意义，国内外科研现状和论文的组织结构；
第二章 从WSN的定义、体系结构、网络中的节点等几个方面进行描述，介绍了WSN的特点和应用领域；
第三章 对WSN的节点定位技术进行了简要介绍。重点介绍了一些典型的无需测距的定位算法，分析了Centroid算法、DVHop算法、Amorphous算法和APIT算法的原理；
第四章 对Centroid算法、DVHop算法、Amorphous算法和APIT算法四种算法进行了仿真分析与比较；
第五章 总结与展望。总结了本课题主要实现的研究性任务，并对今后的研究进行了规划和展望。
第2章 无线传感器网络
2.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是信息感知和数据采集领域的一场革命，很大程度上改变了人们的生活，是21世纪最重大技术之一[79]。
1.无线传感器网络的定义
随着MEMS和信息技术的进步，制造成本低、灵巧、可移动、功能强大的节点成为可能，也更具有应用价值；目前，WSN已等同于无线Ad hoc网络。Ad hoc网络是一个无需固定的设备，集中无线、可移动、节点自组织等特点形成的网络，绝大多数的无线传感器网络（以下简称WSN)都采用无线Ad hoc网络的体系结构。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jmgl/gsgl/530.html
