无线传感器网络定位优化算法研究

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1、第1章绪论1.1研究背景及意义无线传感器网络[1](WSN，WirelessSensorNetworks)集合了传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体，通过传感器与外界交互，完成数据采集、处理、通信及管理等功能。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观的物理信息同传输网络连接在一起，为人们提供直接和有效的信息，尤其在环境恶劣、无人职守、资源受限的环境中具有十分广阔的发展潜力，适合应用于工业控制与监测、家庭自动化与消费电子、安全与军事、物资跟踪与供应链管理、智能农业、环境感知和健康监测等诸多领域。无线传感器网络是新一代

2、的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。它是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT技术之一。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中[2]。作为一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络可以在广泛的应用领域内实现复杂的大规模监测和追踪任务，位置信息就显得至关重要，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包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义[3]。在

3、环境监测应用中需要知道采集的环境信息所对应的具体区域位置，如监测某个区域的温度，如果知道节点的位置信息就可以绘制出监测区域的等温线，在空间上分析监测区域的温度分布情况；在目标跟踪应用中，结合节点感知的运动目标的速度和节点所在的位置，可以监视目标的运动路线并预测目标的运动方向。对于这些问题，传感器节点必须首先知道自身地理位置信息[4]，这是进一步采取措施和做出决策的基础。另一方面，了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间[5,6]，向部署者报告网络的覆盖质1万方数据量，实现网络的负载均衡[7]以及网络拓扑的自配置[8]。此外，节点位置信息还可以为其

4、他协议层的设计提供帮助。在应用层，节点位置信息对基于位置信息选择服务的应用时不可缺少的；在网络层，位置信息与传输距离的结合，使得基于地理位置的路由算法成为可能[9]。全球定位系统[10](GPS,GlobalPositionSystem)是目前应用得最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是定位适用于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等，这使得它不适用于低成本自组织的无线传感器网络。另外，机器人领域采用的定位技术也与无线传感器网络定位不同，尽管二者非常相

5、似，节点都具有自组织和移动特性，但机器人节点数量少，能量充足，所提出的定位算法一般不关心计算复杂度问题，所以也不适用于无线传感器网络。综上所述，如何确定无线传感器网络中节点的位置信息成为了无线传感器网络中必须解决的关键问题之一。1.1定位问题综述所谓节点定位(nodelocalization)，即通过一定的技术、方法和手段获取无线传感器网络中节点的绝对(相对于地理经纬度)或相对位置信息的过程，也是本文重点研究的内容。由于节点硬件配置低，能力、计算、存储和通信能力有限，因此对街道定位提出了较大的挑战。无线传感器网络的特点使得定位算法一般要满足一下特性：(1)自组织由于

6、无线传感器网络通常没有基础设施的支持，这就要求定位算法具有自组织的特性。假设个节点地位平等，即各节点可与通信范围内的任何节点进行通信，无需通过某个节点集中调度。(2)能量有效网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用(死亡)。能量有限是传感器节点的一大特点，因此定位算法要尽量降低计算复杂度和通信数据以节约能量，延长网络寿命。2万方数据(3)分布式无线传感器网络通常是大规模部署网络，节点数目多，定位任务将不会是单个节点所能承担的，这就需要定位算法是分布式算法，任何节

7、点的故障不会影响整个网络的运行，并且把计算量分配给各个节点，节约了每个节点的能量。(4)鲁棒性通过随机撒播传感器节点，往往是在无人看守的恶劣环境，这使得网络的维护变得十分困难，又由于节点的配置低，很容易失效，因此要求定位算法有较强的容错性[11]。1.1应用领域在现实应用中，无线传感器网络的定位技术可以应用在许多重要的领域，几乎包括所有无线传感器技术能够应用到的领域，包括传统应用有军事、监控、应急、环境、防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。表1-1列举了无线传感器网络定位技术的应用领域：表1-1无线传感器网络定位技术的应用领域Table.