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无线通信-无线传感器网络定位技术研究.pdf

无线通信-无线传感器网络定位技术研究

xchips
2011-03-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《无线通信-无线传感器网络定位技术研究pdf》,可适用于IT/计算机领域

无线传感器网络定位技术研究陈淦(江西理工大学江西于都)摘要:在传感器网络中位置信息对传感器网络的监测活动至关重要确定事件发生的位置或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关键的作用。结合节点定位的基本概念和基本方法对基于测距和非测距两种节点定位方法进行了研究分析了这两种方法的优势和不足之处并对当前比较流行的几种定位算法进行介绍和比较最后提出了下一步研究工作的方向。关键词:传感器网络定位算法基于测距非测距中图分类号:TP文献标识码:A文章编号:()--引言在传感器网络的各种应用中监测到事件之后关心的一个重用问题就是该事件发生的位置(如:森林火灾的现场位置战场上敌方车辆运动的区域天然气管道泄漏的具体地点等)。对于这些问题传感器节点必须首先知道自身的地理位置信息这是进一步采取措施和做出决策的基础。传感器节点自身的正确定位是提供监测事件信息的前提。传感器节点定位的基本概念在传感器网络节点定位技术中根据节点是否已知自身的位置而把传感器节点分为信标节点(beaconnode)和未知节点(unknownnode)。信标节点是可以通过GPS定位设备等手段获得自身的精确位置的节点。它是未知节点定位的参考点。未知节点是通过信标节点的位置信息来确定自身位置。定位技术当未知节点获得对于邻近信标节点的距离时对其定位可用三边测量法或极大似然估计当获得邻近的信标节点与未知节点的相对角度后可以用三角测量法对其定位。基于测距的定位算法基于测距的定位机制是通过测量相邻节点间的实际距离或方位进行定位。在基于测距的定位中测量节点间距离或方位时采取的方法有TOATDOARSSI和AOA等。基于TOA的定位在基于到达时间(TOA)的定位机制中已知信号的传播速度根据信号的传播时间来计算节点间的距离然后利用三边测量算法或极大似然估计法计算出节点的位置。TOA的定位精度高但是采用的声波测量速度慢对节点的硬件和工行要求高。且受外界环境干扰较大。基于TDOA的定位发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度计算两个节点之间的距离。再通过已有的基本定位算法计算出节点的位置。如图所示发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号接收节点记录两种信号到达的时间TT。已知无线射频信号和超声波的传播速度为以cc那么两点之间的距离为(TT)*S其中S=cccc。著名的Cricket系统和AHLos系统采用就是TDOA技术定位。基于AOA的定位接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度如图所示再结合估计的距离通过已有的基本定位算法计算出节点的位置。使用AOA定位容易受到NLOS(非视线关系)的影响而且AOA定位对硬件要求较高(天线阵列)价格昂贵不适用于大规模的传感器网络。基于RSSI的定位在基于接收信号强度指示RSSI定位中已知发射节点的发射信号强度接收节点根据受到信号的强度计算出信号的传播耗损利用理论和经验模型将传播耗损转化为距离再利用已有的算法计算出节点的位置。Pr(d)=PtGtGrλ/(π)dL作者简介:陈淦(-)女江西于都人江西理工大学硕士研究生研究方向为计算机网络。软件导刊SoftwareGuide第卷第期年月VolNoDec第期其中Pt为发射机功率Pr(d)是在距离d处的接收功率GtGr分别是发射天线和接收天线的增益d是距离L为与传播无关的系统损耗因子λ是波长单位为米。但是此方法在实际应用中的测距误差较大有可能产生%的测距误差。基于无测距的定位算法虽然基于测距的定位能够实现精确定位但往往对无线传感器节点的硬件要求高。且受外部因素影响大。于是人们提出测距无关的定位技术。测距无关的定位技术无需测量节点间的绝对距离或方位降低了对节点硬件的要求但是定位误差也相对增加(一般)基于无测距的定位算法的精度约在%左右但能满足大多数应用的要求。距无关的定位算法主要有质心算法DV-Hop算法DV-distance算法Amorphous算法APIT算法MDS-MAP定位算法。质心算法在质心算法中信标节点周期性的向邻近节点广播信标分组信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息。如图所示当未知节点接收到来自不同信标节点的信标分组数量超过某一门限或接收一定时间后就确定自身位置为这些信标节点所组成的多变形的质心:(xy)=(x+...+xkky+...+ykk)其中(xy)...(xkyk)为其分组能够被未知节点接收到的信标节点坐标。DV-Hop算法距离向量跳段DV-Hop(distancevector-hop)定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制。DV-Hop算法的定位过程分为以下个阶段。①计算未知节点与每个信标节点的最小跳数。②计算未知节点与信标节点的实际跳段距离如图所示信标节点LLL坐标分别为(xy)(xy)(xy)根据这个信标节点的位置信息和相互之间的相距跳数用公式HopSize=j≠iΣ(xi-xj)+(yi-yj)姨j≠iΣhj(其中hj为信标节点i与j(i≠j)之间的跳段数)估计出平均每跳的实际距离则未知节点A与个信标节点间的距离分别为:相距跳数×平均每跳距离。③利用三边测量法计算出节点A的距离。DV-distance算法DV-distanc和DV-Hop类似所不同的是相邻节点使用微波信号(即RSSI)来测量节点间点到点距离然后利用类似于距离矢量路由的方法传播与锚节点的累计距离。当未知节点获得与个或更多锚节点的距离后使用三边测量法计算由于不是每跳都有相同的距离所以DV-distanc在精确度方面高于DV-Hop但另一方面DV-distanc对测距误差敏感它会随着测距误差增大定位误差也急剧增大。Amorphous算法Amorphous算法与DV-hop算法相似但是它的平均每跳距离定为通信半径。定位误差较大因此NagpalR等对现有算法提出了改进方案。APIT算法近似三角形内点测试法(APIT)如图所示首先确定多个包含未知节点的三角形区域这些三角形区域的交集是一个多边形它确定了更小的包含未知节点的区域然后计算这个多边形区域的质心并将质心作为未知节点的位置。图IDOA定位法图AOA定位法图质心算法图DV-Hop算法图APIT算法图PIT算法陈淦:无线传感器网络定位技术研究··年软件导刊年软件导刊年软件导刊ResearchOfWirelessSensorNetworkPositionTechnologyAbstract:PositionmessageisanimportantelementinthesensornetworkmonitoractionItisthebasicfunctionforsensornetworktofindoutwheretheeventtakeplaceSonodepositionisoneofthevitalmembertomakesensornetworkeffectiveThisessayaombinesthebasicconceptionandmethodresearchsthepositionmeasuresbothrangebasedandrangefreecomparestheprosandconsofthetwokindmeasuresintroducessomepopularpositionalgorithmsandgivestheplanofnextworktodoKeyWords:SensorNetworkPositionAlgorithmsRangeBasedRangeFreeAPIT算法的理论基础是最佳三角形内点测试法PIT。PIT测试原理如图所示假如存在一个方向节点M沿着这个方向移动会同时远离或接近定点ABC那么节点M位于△ABC外否则节点M位于△ABC内。APIT定位步骤如下:①接收信息:未知节点收集邻近信标节点信息。②APIT测试:测试未知节点是否在不同天的信标节点组合成的三角形内部:③计算重叠区域:统计包含未知节点的三角形计算所有三角形的重叠区域④计算未知节点位置:计算重叠区域的质心位置作为未知节点的位置。相对质心算法APIT算法精度高对信标节点的分布要求低。MDS-MAP定位算法MDS-MAP是一种集中式定位算法可在基于测距和基于无测距两种情况下运行并可根据情况实现相对定位和绝对定位。它采用了一种源自心理测量学和精神物理学的数据分析技术多维定标(multidimensionalscaling)该技术常用于探索性数据分析或信息可视化。对几种典型的基于非测距定位方法的比较对质心算法DV-Hop算法DV-distance算法Amorphous算法APIT算法质心简单分析会发现。质心算法算法基于网络连通性因此较容易实现但是这种算法的精确度与信标节点的密度以及分布有很大关系对密度低的网络定位精度很不理想。DV-Hop算法使用平均每跳距离计算实际距离对节点的硬件要求低实现简单。但其缺点是利用跳距代替直线距离存在一定的误差。而且由于要线计算平均每跳距离所以通信开销大。DV-distance算法和DV-Hop耗能相当DV-distance精度更高但是对网络密度要求也高。改进的Amorphous算法要求网络部署前离线计算平均每跳距离网络的扩展性差而且对信标节点的密度要求较高。在信标节点密度低的情况下定位精度较低。APIT算法的定位精确度高性能稳定但APIT测试对网络的连通性提出了较高的要求。虽然节点密度对APIT算法影响最小并且APIT通信量也较小但它所需信标点密度最大。MDS-MAP定位算法在定位是对分部规则的节点的连通值略微低一些但是当节点的连通值比较低时MDS-MAP算法的精度比较低而且MDS-MAP定位算法是集中式算法计算量和通信代价很大从而不适合用于较大规模的网络。在传统的MDS-MAP定位算法中当网络中节点数目n增大时该算法计算量增大通信量增大内存需求量也会增大。这样就增加了网络的成本并且不适合应用于隐蔽的环境同时由于节点之间的通信要求具有足够的能量对节点设计的要求比较高。结束语在无线传感器网络定位技术中基于非测距定位的方法在很多方面比如能耗、环境要求及成本方面比基于测距定位方法更具优势因而有更广阔的应用范围从而得到了越来越多的重视。下一步工作将进一步研究基于非测距的定位方法对其进行改进使其在实现低成本、低能耗的基础上提高定位的精确度。参考文献:[]孙利民李建中陈渝无线传感器网络[M]北京:清华大学出版社[]NICULESCUDNATHB.DVbasedpositioninginadhocnetworks.JournalofTelecommunicationSystems(/):[]王福豹史龙任丰原无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J]软件学报()(责任编辑:卓光)··

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