无线传感器网络节点定位研究优化(附件)【字数：16118】
摘 要无线传感器网络定位技术逐渐进入人们的生活，无线传感器的整个网络系统是由大量具有各种功用的无线传感器网络节点组成，这些节点对自身监测范围内的信息进行采集收集，然后再以多跳的方式传送给基站或者卫星，也就是观察者。而在无线传感器网络中，节点的定位是否准确，将直接决定着这个网络系统的性能是否合格。本文介绍了一些无线传感器网络节点的定位的计算方法，包括基于测距相关的算法比如基于TOA算法、基于RSSI算法、基于TDOA算法、基于AOA算法，也包括基于非测距算法比如质心算法、ALPT算法、Amorphous算法。基于测距的算法的优点便是比较精准，但是成本要求比较高。非测距的算法优点为比较精确，但是对节点的数量要求比较高。本文主要讲的是基于非测距的DV-HOP计算方法，DV-HOP传统的算法特点便是不用直接测距，通过计算未知节点和信标节点之间的最小跳距与平均跳距，当得到三个或三个以上平均跳距的时候，便可以使用三边测量法或最大似然估计法实现对未知节点的定位，但是因为可能会有不良节点的存在，以及可能得到的距离太少而不具有代表性，因此在传统的DV-HOP算法上，需要作出一点改进，基于节点数量过少或者拥有不良节点，可能导致的定位不具有代表性的缺点，在两个方向提出了提升精度的想法，一个是改变锚节点在总节点当中的比例，一个是阈值M的改变对定位精度的影响。可以提升定位的精度。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要研究内容和组织结构 2
1.3.1论文主要研究内容 2
1.3.2 论文各章节安排 3
第二章 无线传感器网络概述 4
2.1无线传感器网络节点组成 4
2.2无线传感器网络结构特点 5
2.2.1无线传感器网络结构 5
2.2.2无线传感器网络特点 6
2.3 无线传感器网络定位应用领域 8
第三章 无线传感器网络定位算法简介 10
3.1节点定位基本概念 10
3.2节点定位相关术语 10
3.3无线传感器网络定位计算方法 11
3.3.1三边测量法 11
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3.3.2三角测量法 12
3.4基于测距相关的定位算法分类 15
3.4.1基于TOA的定位算法 15
3.4.2基于RSSI的定位算法 16
3.4.3基于TDOA的定位算法 16
3.4.4基于AOA的定位算法 16
3.5基于非测距相关的定位算法分类 16
3.5.1质心算法 16
3.5.2 APLT算法 16
3.5.3 Amorphous算法 17
3.5.4 DVHOP算法 17
3.6节点定位性能的评价指标 17
第四章传统DVhop算法研究分析 19
4.1传统DVhop算法定位原理及具体步骤 19
4.1.1传统DVhop算法定位原理 19
4.1.2 DVhop算法具体步骤 19
4.2 DVhop算法误差来源 21
4.2.1外部因素导致误差 22
4.2.2内部因素导致误差 22
第五章DVHOP算法改进优化 24
5.1 DVHOP节点自定位算法的改进 24
5.2 DVHOP节点自定位算法改进方案 24
5.2.1阈值M的选择 26
5.2.2计算未知节点的平均每跳距离 27
第六章 实验仿真与分析 28
6.1仿真场景设定 28
6.2仿真过程 28
6.3锚节点比例对定位精度的影响 30
6.4阈值M对平均定位精度的影响 33
结束语 35
致 谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
随着时代的发展，物联网技术也越来越进入普通民众的生活。WSN技术是物联网技术的一种，而WSN技术的主要表现形势又有ZIGBEE、NFC和我们所熟悉的蓝牙和WIFI等技术。WSN无线传感器网络节点定位技术的首先运用是上世纪七十年代美国军方研制的“热带树”传感器系统用来监测敌方的车队，并且向自己的指挥中心发送回信息，然后美方的指挥中心接收到地方车队的位置信息后，向其输出火力，取得了重大的胜利。也因此，这项技术得以推广于世，引起了众多业界的重视与研发。也因为WSN网络拥有很多不同种类的传感器，它可以探测我们生活的环境中各种各样的元素，类似于温度，湿度，分贝，移动中物体的速度和加速度，光暗程度等等。所以它在很多领域包括探索未知地域，探索人体医疗，军事探索领域，救灾抢险领域等等的运用也覆盖的越来越多。无线传感器网络被认为是仅次于互联网的网络系统，他对现在的研究领域以及普通民众的生活都有着不可代替的作用。也正是由于这样，无线定位技术作为物联网的三大技术之一，一直被世界各国广泛关注，并不断提出新的课题，进行研究。
无线传感器网络令人着迷的原因有很多，他的灵活性，动态性等等，都让人觉得他有很大的发展前景。而且成本不高，抗干扰性很强，定位精确也是WSN的优点。但是节点上的定位问题，一直是无线传感器定位系统的一个必须要攻克的障碍。在很多关键的技术方面来说，节点定位是他们的支撑，如何做到更优化，更精确的定位，是现在无线传感器网络节点定位的研究与发展方向。
1.2国内外研究现状
在二十世纪开始，国内外就开始了对无线传感定位技术的研究与科研。从那时候到现在，也出现了在当时也很优秀的定位系统，比如AHLos系统、GPS系统等等。但是在某些程度上这些定位技术都不适合现如今的发展趋势，AHLos系统在于他的速度过于缓慢，必须要通过TDOA技术不断地计算到最后或者直到计算到无法再进行计算。而GPS系统虽然是到目前来说，世界上最为完善的一个定位系统，但是其成本太高，能量运用太高，体积太大，所以并不适合用在很多人民的日常生活中，而且GPS是通过卫星的信号来实现的，而卫星的信号容易被阻碍物阻挡，比如大型的公共场所等，都是会阻挡卫星信号的场所，所以在小成本无线传感器网络中，并不适合GPS系统。
就国外来说，对于无线传感器节点定位技术早就开始了大力的研究，美国先进项目研究局和美国国家航空航天局早已经开始支持美国的高等院校以及很多拥有高技术人才的科研单位进行无线传感器节点定位的研究，而IEEE（电气和电子工程师协会）也早就开始在会内会外推动无线传感器网络节点定位研究的优化发展了。对于这项放在二十一世界仍然是高新技术领域的技术，作为定鼎物联网三大支柱之一的技术，国外对他的研究早就进入了白热化的阶段，世界各国的高等院校都得到了大力的支持，尤其是美国，几乎所有美国的高等院校都对这项技术展开了积极的研究，并且美国的各大军事部门都表达了自己对无线传感器网络节点定位的项目的支持，足以见这项技术的重要性。
在国内来说，尽管现如今我国进入了科研与经济的飞速发展阶段，但是相对于西方的发达国家来说，我国的起步阶段还是比较晚期的，大概在将近2005年的时候，无线传感器网络节点定位技术才被列入未来重点研究方向。2010年，中国农业大学召开了《无线传感器网络及物联网技术国际研讨会》，会中，众多研究者纷纷表明自己对于无线传感器网络节点定位的兴趣，并表示会在这一方面增加研究的力度。但是这也只是相关从业人员或者说是科研人员的态度，总体上来说，我国对无线传感网络节点定位这一方面的研究，相较于国外来说，还是比较少的。而且就我国的实际研发情况来说，还并没有在无线传感技术节点定位的重大领域作出什么重大突破，个人认为，作为一个二十一世纪的高新技术领域的技术，我国还是应该在这方面多加关注，在这上面投入更多地重视，跟上西方发达国家的步伐，同时学习与借鉴，作出自己国家在此领域有需求的地方的重大突破。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要研究内容和组织结构 2
1.3.1论文主要研究内容 2
1.3.2 论文各章节安排 3
第二章 无线传感器网络概述 4
2.1无线传感器网络节点组成 4
2.2无线传感器网络结构特点 5
2.2.1无线传感器网络结构 5
2.2.2无线传感器网络特点 6
2.3 无线传感器网络定位应用领域 8
第三章 无线传感器网络定位算法简介 10
3.1节点定位基本概念 10
3.2节点定位相关术语 10
3.3无线传感器网络定位计算方法 11
3.3.1三边测量法 11
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3.3.2三角测量法 12
3.4基于测距相关的定位算法分类 15
3.4.1基于TOA的定位算法 15
3.4.2基于RSSI的定位算法 16
3.4.3基于TDOA的定位算法 16
3.4.4基于AOA的定位算法 16
3.5基于非测距相关的定位算法分类 16
3.5.1质心算法 16
3.5.2 APLT算法 16
3.5.3 Amorphous算法 17
3.5.4 DVHOP算法 17
3.6节点定位性能的评价指标 17
第四章传统DVhop算法研究分析 19
4.1传统DVhop算法定位原理及具体步骤 19
4.1.1传统DVhop算法定位原理 19
4.1.2 DVhop算法具体步骤 19
4.2 DVhop算法误差来源 21
4.2.1外部因素导致误差 22
4.2.2内部因素导致误差 22
第五章DVHOP算法改进优化 24
5.1 DVHOP节点自定位算法的改进 24
5.2 DVHOP节点自定位算法改进方案 24
5.2.1阈值M的选择 26
5.2.2计算未知节点的平均每跳距离 27
第六章 实验仿真与分析 28
6.1仿真场景设定 28
6.2仿真过程 28
6.3锚节点比例对定位精度的影响 30
6.4阈值M对平均定位精度的影响 33
结束语 35
致 谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
随着时代的发展，物联网技术也越来越进入普通民众的生活。WSN技术是物联网技术的一种，而WSN技术的主要表现形势又有ZIGBEE、NFC和我们所熟悉的蓝牙和WIFI等技术。WSN无线传感器网络节点定位技术的首先运用是上世纪七十年代美国军方研制的“热带树”传感器系统用来监测敌方的车队，并且向自己的指挥中心发送回信息，然后美方的指挥中心接收到地方车队的位置信息后，向其输出火力，取得了重大的胜利。也因此，这项技术得以推广于世，引起了众多业界的重视与研发。也因为WSN网络拥有很多不同种类的传感器，它可以探测我们生活的环境中各种各样的元素，类似于温度，湿度，分贝，移动中物体的速度和加速度，光暗程度等等。所以它在很多领域包括探索未知地域，探索人体医疗，军事探索领域，救灾抢险领域等等的运用也覆盖的越来越多。无线传感器网络被认为是仅次于互联网的网络系统，他对现在的研究领域以及普通民众的生活都有着不可代替的作用。也正是由于这样，无线定位技术作为物联网的三大技术之一，一直被世界各国广泛关注，并不断提出新的课题，进行研究。
无线传感器网络令人着迷的原因有很多，他的灵活性，动态性等等，都让人觉得他有很大的发展前景。而且成本不高，抗干扰性很强，定位精确也是WSN的优点。但是节点上的定位问题，一直是无线传感器定位系统的一个必须要攻克的障碍。在很多关键的技术方面来说，节点定位是他们的支撑，如何做到更优化，更精确的定位，是现在无线传感器网络节点定位的研究与发展方向。
1.2国内外研究现状
在二十世纪开始，国内外就开始了对无线传感定位技术的研究与科研。从那时候到现在，也出现了在当时也很优秀的定位系统，比如AHLos系统、GPS系统等等。但是在某些程度上这些定位技术都不适合现如今的发展趋势，AHLos系统在于他的速度过于缓慢，必须要通过TDOA技术不断地计算到最后或者直到计算到无法再进行计算。而GPS系统虽然是到目前来说，世界上最为完善的一个定位系统，但是其成本太高，能量运用太高，体积太大，所以并不适合用在很多人民的日常生活中，而且GPS是通过卫星的信号来实现的，而卫星的信号容易被阻碍物阻挡，比如大型的公共场所等，都是会阻挡卫星信号的场所，所以在小成本无线传感器网络中，并不适合GPS系统。
就国外来说，对于无线传感器节点定位技术早就开始了大力的研究，美国先进项目研究局和美国国家航空航天局早已经开始支持美国的高等院校以及很多拥有高技术人才的科研单位进行无线传感器节点定位的研究，而IEEE（电气和电子工程师协会）也早就开始在会内会外推动无线传感器网络节点定位研究的优化发展了。对于这项放在二十一世界仍然是高新技术领域的技术，作为定鼎物联网三大支柱之一的技术，国外对他的研究早就进入了白热化的阶段，世界各国的高等院校都得到了大力的支持，尤其是美国，几乎所有美国的高等院校都对这项技术展开了积极的研究，并且美国的各大军事部门都表达了自己对无线传感器网络节点定位的项目的支持，足以见这项技术的重要性。
在国内来说，尽管现如今我国进入了科研与经济的飞速发展阶段，但是相对于西方的发达国家来说，我国的起步阶段还是比较晚期的，大概在将近2005年的时候，无线传感器网络节点定位技术才被列入未来重点研究方向。2010年，中国农业大学召开了《无线传感器网络及物联网技术国际研讨会》，会中，众多研究者纷纷表明自己对于无线传感器网络节点定位的兴趣，并表示会在这一方面增加研究的力度。但是这也只是相关从业人员或者说是科研人员的态度，总体上来说，我国对无线传感网络节点定位这一方面的研究，相较于国外来说，还是比较少的。而且就我国的实际研发情况来说，还并没有在无线传感技术节点定位的重大领域作出什么重大突破，个人认为，作为一个二十一世纪的高新技术领域的技术，我国还是应该在这方面多加关注，在这上面投入更多地重视，跟上西方发达国家的步伐，同时学习与借鉴，作出自己国家在此领域有需求的地方的重大突破。
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