基于距离约束判定的无线传感器网络迭代定位算法研究

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近些年,随着微电子技术与无线通信技术的不断进步,具有低功耗、低代价等特点的无线传感器网络技术也随之蓬勃发展。特别是随着物联网技术时代的来临,作为物联网三层网络结构中感知层里感知环境信息的主要技术,无线传感器网络技术受到更多国内外研究人员的高度关注。现如今,无线传感器网络技术已经广泛应用于智能家居、环境监测、医疗服务等于人们息息相关的生活中。而作为无线传感器网络中的支撑技术之一,节点定位技术也是众多研究人员非常看重的研究方向。无线传感器网络在监测区域监测到的信息,其中非常重要的一部分就是位置信息,没有位置信息的监测数据对用户来说往往毫无意义。因此,能否精确地获得监测区域内监测目标的地理位置成为无线传感为网络技术研究中的重点研究方向。依照不同的评判条件,可将无线传感器网络的定位算法进行分类。现如今,常用的分类将其分为以下两种:基于距离(range-based)的定位算法以及距离无关(range-free)的定位算法。基于距离的定位算法定位精度高,但高精度带来的相应缺点就是需要较高要求的硬件条件来支撑,成本高,并不适合大部分的实际应用。而距离无关的定位算法的优势在于并不需要相应的硬件来测量节点间的实际距离,只需要利用网络的连通度来估算出节点间的距离信息,从而进行估计定位。硬件要求低,节省成本,适合于多数的实际应用,但是相应的定位精度会下降。两类定位算法各有优势与劣势,分别适用于不用的应用领域。因此,设计出一种将两类定位算法相结合的改进定位算法是当今的一种新的研究趋势。既可以结合两类算法的优势,即拥有较高的定位精度和较低的硬件成本,同时又可以合理的避开或解决各自算法中的问题。本文就是在这一研究趋势下,对这两类定位算法进行了深入分析,并对Hop-terrain定位算法这种典型的将基于距离定位与距离无关定位相结合的改进算法进行研究之后,设计出一种新的基于距离约束判定的迭代定位算法。本文的主要创新工作如下:1.针对Hop-terrain定位算法的原理和定位过程进行分析,并通过仿真实验对其定位性能进行验证。发现在Hop-terrain定位算法中的节点初始位置估算阶段中,由于使用的是距离无关的DV-Hop定位算法进行定位,这就有可能导致地理位置比较接近或者位置处于网络边缘的不同节点同时选取相同的最短路径,从而通过三边测量定位算法获得相同的位置信息,这明显是不合理的。针对这一问题,本文在节点初始位置估算阶段增加了一个利用随机噪声产生随机位置偏移的过程,也即是当每个节点都通过DV-Hop定位算法获得了一个初始估算坐标的时候,在每个节点的初始估算坐标上都增加一个很小的随机噪声,从而产生一个很小的位置偏移,合理的解决了不同节点拥有相同初始估算位置的情况。2.通过对Hop-terrain定位算法的仿真进行研究分析,发现在网络整体连通度比较低的时候,迭代过程中成功定位的节点比例很低。针对这一问题,本文做出以下改进:在节点坐标迭代更新阶段中,引入可信度权值m_i以及节点标识符flag_i,并对所有成功进行了带权值三边测量定位算法的节点进行距离约束判定,同时有选择的选取相应迭代结果更新自身位置坐标,这样各个节点的位置就会不断的向节点的真实位置收敛,有效的提高了网络在低连通度的情况下成功定位节点的比例。同时,每轮迭代过后都要更新普通节点的可信度权值,由于其周围邻居节点的位置越来越收敛,定位可信度随之提高,普通节点的可信度权值也会逐步增大,进一步的提高了整体算法的定位精度,并通过最终与Hop-terrain定位算法进行的仿真分析对比证明了上述观点。
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