无线自组传感器网络定位算法研究
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摘要
近年来，随着无线自组传感器网络的快速发展和广泛应用，无线自组传感器网络定位技术逐渐成为无线传感器网络研究的重要支撑技术之一，具有重大的研究价值。在一些无线传感器网络应用中，如目标识别、监测和跟踪，位置信息成为了这些应用得以实现的必要前提。节点所采集到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息才有意义。节点通常使用GPS收发器，但考虑到成本和能耗的关系，在无线自组传感器网络里并不适用。定位信息的准确获取对无线自组传感器网络自定位技术的研究具有重要的理论与实际意义。
本论文的研究重点是目前无需测距的定位算法中应用最为广泛的DV-Hop定位算法和基于测距的定位算法中的RSSI定位算法。首先，针对DV-Hop算法，本文提出了基于几何学的GDV-Hop定位算法。该算法通过几何斜率的方法选取信标节点，在测距计算上选取不同组合的信标节点，采用最小二乘法，得到未知节点的坐标。仿真表明该算法在无需增加额外硬件设备的情况下，定位精度提高了，并且具有良好的适应性和扩展性。
其次，针对RSSI算法，本文首先从影响无线传感器网络的定位精度的主要因素出发，分析信号传播模型，选择合适的信号模型-对数衰减模型。然后在信标节点的选取上做了改进，选取离未知节点近的信标节点，距离越远，定位影响越大。对测得的距离求平均值，然后运用三角形质心算法，提高了定位的精度。最后对改进的算法进行了仿真，结果表明改进算法在原算法的基础上将定位精度提高了，并且改进算法相对于原算法具有良好的适应性和扩展性。
In recent years, with the rapid development and wide application of wirelesssensor networks, wireless sensor network positioning technology is becoming one ofthe important technologies in wireless sensor networks, and with significant researchvalue. In wireless sensor network applications, such as target identification,monitoring and tracking, location information has become a necessary prerequisite forthese applications.The data which is collected by the nodes can makes sense onlywhen it is combined with location information in the measurement coordinate system.The nodes always with GPS transceiver, but taking the relationship between cost andenergy consumption into account, it is not applicable in a wireless ad hoc sensornetworks. So, obtain the accurate location information is very important in wireless adhoc sensor network self-positioning technology.
Now，the most widely used localization algorithm are DV-Hop localizationalgorithm and RSSI location algorithm, this thesis is doing some research on thesealgorithm. First of all, for the DV-hop algorithm, proposed GDV-hop positioningalgorithm. Improvements have been made in the beacon node selection and rangingmethod. The simulation results show the new algorithm’s positioning accuracy isimproved and has a good adaptability and scalability.
Secondly, for the RSSI algorithm, first starting from the main factors of affecting thewireless sensor network positioning accuracy， analysis of signal propagation model, selectthe appropriate signal attenuation model-logarithmic decrement model. And thenmade improvements in the selection of the beacon node. Select the beacon nodewhich is near from the unknown node. The greater the distance, the greater theimpact of positioning.
For the average measured distance, use the triangle centroid algorithm toimprove the accuracy. Finally, simulate the improved algorithm. The results show thatthe accuracy of the improved algorithm is improved, and the improved algorithm hasgood adaptability and scalability than the original algorithm.
本论文的研究重点是目前无需测距的定位算法中应用最为广泛的DV-Hop定位算法和基于测距的定位算法中的RSSI定位算法。首先，针对DV-Hop算法，本文提出了基于几何学的GDV-Hop定位算法。该算法通过几何斜率的方法选取信标节点，在测距计算上选取不同组合的信标节点，采用最小二乘法，得到未知节点的坐标。仿真表明该算法在无需增加额外硬件设备的情况下，定位精度提高了，并且具有良好的适应性和扩展性。
其次，针对RSSI算法，本文首先从影响无线传感器网络的定位精度的主要因素出发，分析信号传播模型，选择合适的信号模型-对数衰减模型。然后在信标节点的选取上做了改进，选取离未知节点近的信标节点，距离越远，定位影响越大。对测得的距离求平均值，然后运用三角形质心算法，提高了定位的精度。最后对改进的算法进行了仿真，结果表明改进算法在原算法的基础上将定位精度提高了，并且改进算法相对于原算法具有良好的适应性和扩展性。
In recent years, with the rapid development and wide application of wirelesssensor networks, wireless sensor network positioning technology is becoming one ofthe important technologies in wireless sensor networks, and with significant researchvalue. In wireless sensor network applications, such as target identification,monitoring and tracking, location information has become a necessary prerequisite forthese applications.The data which is collected by the nodes can makes sense onlywhen it is combined with location information in the measurement coordinate system.The nodes always with GPS transceiver, but taking the relationship between cost andenergy consumption into account, it is not applicable in a wireless ad hoc sensornetworks. So, obtain the accurate location information is very important in wireless adhoc sensor network self-positioning technology.
Now，the most widely used localization algorithm are DV-Hop localizationalgorithm and RSSI location algorithm, this thesis is doing some research on thesealgorithm. First of all, for the DV-hop algorithm, proposed GDV-hop positioningalgorithm. Improvements have been made in the beacon node selection and rangingmethod. The simulation results show the new algorithm’s positioning accuracy isimproved and has a good adaptability and scalability.
Secondly, for the RSSI algorithm, first starting from the main factors of affecting thewireless sensor network positioning accuracy， analysis of signal propagation model, selectthe appropriate signal attenuation model-logarithmic decrement model. And thenmade improvements in the selection of the beacon node. Select the beacon nodewhich is near from the unknown node. The greater the distance, the greater theimpact of positioning.
For the average measured distance, use the triangle centroid algorithm toimprove the accuracy. Finally, simulate the improved algorithm. The results show thatthe accuracy of the improved algorithm is improved, and the improved algorithm hasgood adaptability and scalability than the original algorithm.
引文
[1]范玉红.无线传感器网络中节点定位算法研究[D].四川：西华大学，2011.
[2]崔秀锋.无线传感器网络中基于RSSI的三维定位改进算法研究[D].太原理工大学，2011.
[3]刘炳日.无线传感器网络中节点定位算法研究[D].吉林：吉林大学，2010.
[4]杜巧玲.无线传感器网络三维节点定位问题研究[D].吉林：吉林大学，2009.
[5]万国成.基于ZigBee的无线区域定位系统研究[D].湖北工业大学，2011.
[6]朱红松，孙利名.无线传感器网络技术发展现状[J].中兴通讯技术学报，2009,15（5）：01-05.
[7]吕鹏元.无线传感器网络定位算法研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.
[8]张文祥，马银花，郭继坤.无线传感器网络路由算法的研究[J].计算机测量与控制，2009,17（3）：617-619.
[9]李善亮，黄刘生，吴俊敏.基于连通性的传感器节点定位算法研究[J].计算机工程，2008.34.7:115-117.
[10]许铁军.无线传感器网络中改进的DV-hop定位算法[D].东北大学，2008.
[11]田金鹏.无线传感器网络节点定位技术研究[D].上海大学，2008.
[12]姜立娣.基于WSN定位技术的研究与现实[D].华东师范大学，2007.
[13]刘春晓.无线传感器网络DV-Hop定位算法的改进和仿真[D].重庆交通大学，2011.
[14]王丹.基于RSSI的无线传感器网络定位方法研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
[15]陈鹏.一种基于数据传输的WSN跨层协议[D].西安电子科技大学，2010.
[16]余向阳.无线传感器网络研究综述[J].单片机与嵌入式系统应用，2008.
[17]殷琪，徐巍.一种改进的无线自主传感器网络定位算法[J].计算机系统应用，2012.
[18]叶小岭，王伟等.无线传感器网络中一种改进的DV-Hop定位算法[J].计算机测量与控制，2010.
[19]孙庭波.无线传感器网络定位算法研究[D].中国科学技术大学，2008.
[20]王森.无线传感器网络定位算法研究与应用[D].哈尔滨工业大学，2011.
[21]Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnam H. Energy efficient communicationprotocol for wireless microsensor networks[C]. Proc of the33rd HawaiiInternational Conference on System Sciences. Maui:IEEE Computer Society,2000,3005-3014.
[22]郭明洁.无线传感网络自身定位算法研究[D].北京邮电大学，2009.
[23]刘序文.基于Zigbee的无线传感器网络定位研究[D].北京邮电大学，2009.
[24] He T,Huang CD,Blum BM,Stankkovic JA,Abdelzaher T,Range-Free localizationschemes in large scale sensor networks[C].In:Proc. of the9th Annual Int'l Conaf.on Mo-bil computing and Networking.San Diego:ACM Press,2003,81-95.
[25]B, W.H., L. H, C. J, Global positioning system.1997.
[26]Savvides A, Han C, Srivastava M B, Dynamic fine-grained localization in ad-Hoenetworks of sensors [J]. Proceedings of ACM MobiCom,2001.
[27]Paramvir Bahl, Venkata N. Padmanabhan RADAR：An inbuilding RF-based userlocation and tracking system [C]. In Proceedings of IEEE Infocom2000, Tel-Aviv,Israel.2000.2:775-784.
[28]Niculescu D, Nath B. Ad Hoe positioning system (APS) using AOA[C]. In: Proc.ofthe IEEE INFOCOM.San Francisco: IEEE Computer and Communications Societies,2003:1734-1743.
[29]Niculescu D, Nath B. DV-base positioning in AD Hoc networks [J]. Kluwer Journalof Telecommunication System,2003.22(1):267-280.
[30]Shuang Tian, Xinming Zhang, Pengxi Liu.A RSSI-Based DV-Hop Algorithm forWireless Sensor Networks.Wireless Communications[C]. Networking and MobileComputing,2007, WiCom2007.International Conference on.21-25Sept.2007:2555-2558.
[31]胡文鹏.一种基于RSSI的无线传感器网络定位算法的设计与实现[D].吉林大学，2009.
[32] C. L. Yau, W. Y. Chung,IEEE802.15.4Wireless Mobile Application forHealthcareSystem[C]. Proceeding of Convergence Information Technology’07,Nov.2007:1433-1438.
[33]李新兵.无线传感器网络节点自定位技术研究[D].中南大学，2007.
[34]田玉昆.基于直推式回归的无线传感器网络定位于跟踪算法研究[D].湖南大学，2009.
[35]陈维克，李文锋，首珩，等.基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2006，30(2)：265-268.
[36]Tian He, Chengdu Huang, Brian M.Blum, John A.Stmkuvic, TarekAbdelzaher.Range-Free Localization Schemes in Large Scale Sensor Networks[C].Proc of the9th annual international conference on Mobile computing andnetworking. San Diego,California, USA: ACM Press,2003,81-95.
[37]孙晶晶.无线传感器网络定位算法的研究[D].西安电子科技大学，2010.
[38]Niculescu D, Nath B. DV Based Positioning in Ad Hoc Networks[J]. Journal ofTelecommunication Systems,2003,22(14):267-280.
[39]Pottie GJ,Kaiser WJ.Wireless Integrated Network Sensors [J].Communications ofthe ACM,2000,43(5):51-58.
[40]T.S.Rappaport.Wireless Communications-Principles and Practice [J].PrenticeHall,Upper Saddle River,NJ,2002,40(3):128-176.
[41]卢翔，涂时亮，陈章龙.无线传感器网络定位算法的比较分析[J].计算机应用与软件，2009,26（12）：200-203.
[42]Niculescu D.,Nath B．Ad hoc positioning system(APS)．Global TelecommunicationsConference,2001.GLOBECOM,01.IEEE.San Antonio,TX,200l:2926-2931.
[43]Capkun S， Hamdi M.Hubaux J.P. GPS-free Positioning in Mobile Ad-HOCNetworks.Cluster Computing．2002,5(2):157-167．
[44] T.S.Rappaport. Wireless Communications-Principles and Practice [J]. PrenticeHall, Upper Saddle River, NJ,2002.40(3):128-176
[45] X.Shen,Z.Wang,P.Jiang,R.lin,Y.Sun.Connectivity and RSSI Based LocalizationScheme for Wireless Sensor Networks.2005International Conference onIntelligent Computing,Lecture Notes on ComputerScience.VOL.3645,p.578-587,Aug.2005.
[46] Pi Chun Chen.A non-line-of-sight error mitigation algorithm.Proceedings ofIEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC’99), New Orleans,LA, USA: IEEE Computer and Communications Societies,1999:316-320.
[47]汪炀.无线传感器网络定位技术研究[D].中国科学技术大学，2007.
[48]詹杰，吴伶锡，唐志军.无线传感器网络RSSI测距方法与精度分析[J].电讯技术2010.Vol50(4):83-87.
[49]乔卫.无线传感器网络DV-Hop定位算法的研究与应用[D].西北大学，2008.
[50]李翔.无线传感器网络簇状网的研究[D].天津大学，2006.
[51]于立娟.无线传感器网络分层路由协议研究[D].桂林电子科技大学，2008.
[52]Liang Zhongliang,Feng Shan,Zhao Dongmei,et al.Delay performance analysis forsupporting real-time traffic in a cognitive radio sensor network.[J]IEEETransactions on Wireless Communications.2011.10(1):325-335.
[53]韩寒，吴启晖，王金龙等.认知传感器网络中快速频谱机会发现的研究[J].微计算机信息，2010，6（29）：129-131.
[54]胡富平，王殊，刘威等.衰落信道下认知传感器网络频谱检测方法研究[J].计算机工程与科学，2010,32（3）：7-10.]
[55]张志东.无线传感器网络通信协议研究[D].天津大学，2007.
[56]李峙.基于无需测距的无线传感器网络节点定位算法研究[D].华中师范大学，2008.
[57]宋保业.无线传感器网络关键技术研究[D].山东：青岛大学，2008.
[58]王海东等.无线传感器网络定位机制[J].计算机科学，2006,4（5）：58-61.
[59]张松涛.无线传感器网络定位问题研究[D].华中科技大学博士论文，2010.5.23.
[60]蒋小兰.无需测距的WSN节点自定位算法研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2007-3.
[61]刘少强，庞新苗，樊晓平等.一种有效提高节点定位精度的改进的DV-Hop算法[J].传感器技术学报，2010,23(8):1179-1183.
[62]刘影，钱志鸿，刘丹，张旭.基于几何学的无线传感器网络定位算法[J].光电子.激光，2010.
[63]毕嘉娜.无线传感器网络能量有效安全路由协议[D].哈尔滨工业大学，2009.
[64]杨石磊.无线传感器网络中自定位算法的研究[D].中南大学，2008.
[65]石琴琴.无线传感器网络节点自定位系统及其算法研究[D].上海交通大学，2009.
[2]崔秀锋.无线传感器网络中基于RSSI的三维定位改进算法研究[D].太原理工大学，2011.
[3]刘炳日.无线传感器网络中节点定位算法研究[D].吉林：吉林大学，2010.
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[5]万国成.基于ZigBee的无线区域定位系统研究[D].湖北工业大学，2011.
[6]朱红松，孙利名.无线传感器网络技术发展现状[J].中兴通讯技术学报，2009,15（5）：01-05.
[7]吕鹏元.无线传感器网络定位算法研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.
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[15]陈鹏.一种基于数据传输的WSN跨层协议[D].西安电子科技大学，2010.
[16]余向阳.无线传感器网络研究综述[J].单片机与嵌入式系统应用，2008.
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[28]Niculescu D, Nath B. Ad Hoe positioning system (APS) using AOA[C]. In: Proc.ofthe IEEE INFOCOM.San Francisco: IEEE Computer and Communications Societies,2003:1734-1743.
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[33]李新兵.无线传感器网络节点自定位技术研究[D].中南大学，2007.
[34]田玉昆.基于直推式回归的无线传感器网络定位于跟踪算法研究[D].湖南大学，2009.
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[49]乔卫.无线传感器网络DV-Hop定位算法的研究与应用[D].西北大学，2008.
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[53]韩寒，吴启晖，王金龙等.认知传感器网络中快速频谱机会发现的研究[J].微计算机信息，2010，6（29）：129-131.
[54]胡富平，王殊，刘威等.衰落信道下认知传感器网络频谱检测方法研究[J].计算机工程与科学，2010,32（3）：7-10.]
[55]张志东.无线传感器网络通信协议研究[D].天津大学，2007.
[56]李峙.基于无需测距的无线传感器网络节点定位算法研究[D].华中师范大学，2008.
[57]宋保业.无线传感器网络关键技术研究[D].山东：青岛大学，2008.
[58]王海东等.无线传感器网络定位机制[J].计算机科学，2006,4（5）：58-61.
[59]张松涛.无线传感器网络定位问题研究[D].华中科技大学博士论文，2010.5.23.
[60]蒋小兰.无需测距的WSN节点自定位算法研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2007-3.
[61]刘少强，庞新苗，樊晓平等.一种有效提高节点定位精度的改进的DV-Hop算法[J].传感器技术学报，2010,23(8):1179-1183.
[62]刘影，钱志鸿，刘丹，张旭.基于几何学的无线传感器网络定位算法[J].光电子.激光，2010.
[63]毕嘉娜.无线传感器网络能量有效安全路由协议[D].哈尔滨工业大学，2009.
[64]杨石磊.无线传感器网络中自定位算法的研究[D].中南大学，2008.
[65]石琴琴.无线传感器网络节点自定位系统及其算法研究[D].上海交通大学，2009.