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微机电系统、片上系统和无线通信技术的进步孕育了无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks),它是一种新型的无基础设施的无线网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,对其进行处理,并传送到需要这些信息的用户。作为一个全新的研究领域,无线传感器网络向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题,节点自身定位问题就是其中之一。
在无线传感网络中,位置信息对传感器网络的监测活动至关重要,事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所必须包含的重要内容,没有位置信息的监测消息往往毫无意义。因此,确定事件发生的位置或确定获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一,对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。
本文的主要内容是对无线传感器网络中节点定位技术的研究及设计。主要的工作包括以下几点:
(1)介绍了无线传感器网络的基本原理,节点定位的基本概念、关键技术以及节点定位算法的分类和性能评价标准,归纳了定位算法所面临的挑战;
(2)分析了几种典型的WSN分布式节点定位技术,并从算法复杂度、通信开销、定位精度、适用场合等方面对它们进行了比较。
(3)借鉴已有算法的优秀思想设计出一种无需测距(range-free)的分布式定位算法,称为NCL (Neighbor-Count Localization)算法。针对WSN应用环境中节点的分布往往是不均匀的现实情况,NCL 算法利用节点通信覆盖范围内的邻居节点个数和节点的通信半径来估算从节点出发的多跳路径中第一跳的距离,将信标节点和未知节点之间多跳路径中的估算跳距累加得到节点间的估算距离。这样使测距精度受网络中节点不均匀分布的影响较小。另外,NCL 算法对节点估算距离进行加权平均后计算未知节点坐标,提高了节点定位精度。
(4)基于OMNeT++对NCL算法进行仿真试验,并将NCL算法与DV-Hop算法进行比较。仿真结果表明,NCL 算法具有一定的容错性和自适应性、算法开销较小、定位误差也基本符合应用要求。