探索传感器网络定位算法及相关技术研究

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1、重庆大学博士学位论文传感器网络定位算法及相关技术研究姓名：余义斌申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：曹长修20061019中文摘要摘要近年来，微机电系统(MEMS)技术、通信技术和计算技术的发展，使得开发具有短距离无线通信能力的低成本、自组织、多功能传感器节点成为可能。这些大量的微节点即可组成分布式协同工作的传感器网络。传感器网络的快速布置、多跳路由、动态拓扑、容错、以数据为中心和面向应用等独特性，使其成为虚拟世界与物理世界互动的桥梁。在传感器网络中，节点以自组织方式获得自身位置信息的过程称为节点定位。在诸如环境监测、智能交通和目标跟踪等众多

2、应用场合下，传感器网络需要节点定位技术支持。但是，传感器网络固有的资源受限、能量受限等问题使节点定位变得十分困难。现有定位算法的主要缺点是：定位精度不高、定位引起的额外通信开销偏高、对测距噪声鲁棒性不好、节点能量消耗大等。依托“基于网络的智能传感器技术理论研究”项目(广东海洋大学自然科学基金，项目编号：z0512142)及国家自然科学基金项目(项目批准号：50672015)，本论文以传感器网络节点定位方法为研究对象，以提高定位精度和对测距噪声的鲁棒性、降低额外通信开销、降低节点能耗为目的，重点研究了节点的四种定位算法及其相关技术。四种定位算法包括：精确的二维

3、节点定位算法(AcT)、具有低计算复杂性的二维节点定位算法改进(ncr)、具有通用性的三维节点定位算法(AcQ)和可明显降低节点成本、体积和能量消耗的加权最小二乘估计定位算法(wLS)。为了提高传感器网络节点定位信息传输可靠性、保证能量利用高效性，论文给出了基于主动队列管理、开环反向拥塞信息传播机制和优先权源节点速率调节机制的汇聚节点拥塞控制策略。由于能量问题一直是困扰传感器网络广泛应用的难题，所以论文最后初步探讨了基于MEMS技术的节点能量收集方法。本论文主要内容如下：·第3章提出基于模型预测控制理论、用于汇聚节点队列长度控制的控制器，该控制器使用不同的延

4、迟环节Pade近似方法，以增加队列稳定性、缩短节点响应时间。而且，针对传感器网络的特点，给出节点适时检测信道负载状况、开环反向广播拥塞信息和优先权源节点速率调节机制，目的是缩短数据包节点延时，稳定节点队列长度，提高链路利用率，减少数据包重传次数，提高定位及其它信息传输可靠性，降低能量消耗。·第4章提出一种分布式节点定位算法一循环三边组合测量法(ACT)。该算法只需利用少量信标节点位置信息和未知节点与信标节点间测距，即可估计未知节点坐标。为了减小节点定位误差、降低额外通信开销、提高重庆大学博士学位论文算法对测距噪声的鲁棒性，该算法使用角度权重函数和权重多边形等

5、手段，以避免使用三个信标节点形成的奇异组合而得到的信息。ACT算法及后面的定位算法(IACT、ACQ)能用于其它基于测距的定位系统，如GPS系统、雷达系统、水下测距定位系统等。●第5章提出二维节点定位算法的改进——改进的循环三边组合测量法(I√K叮)。为了降低循环三边组合测量法(ACT)的计算复杂性，本算法使用了不同的角度权重函数，以避免计算过程中三角函数运算，并只选择其中具有较大权重值的m个三边测量组合进行计算，以进一步减少算法中乘除法运算次数。IACT算法只要稍加变化即能用于降低循环四边组合测量算法(AcQ)的计算复杂性。●第6章提出用于三维节点位置感知

6、算法一循环四边组合测量法(ACQ)。算法使用特别的权重函数、权重多面体和权重重心法等方法估算未知节点的几何位置。它的主要特点是：能用于三维空间节点精确定位，并能保证对测距噪声的鲁棒性，因为定位时额外通信很低，所以算法具有能量高效性。●第7章提出基于RSSI的加权最小二乘估计的节点定位算法(wLs)。该算法利用能反应信道特征变化的系统模型，并选取能加快收敛速度的初始点。WLS算法的主要特点是：能同时估计未知节点的几何坐标及信道衰减系数、定位精度较高、能适应环境变化。算法不需要复杂的附加设备，因而能明显减小节点体积、降低成本和能量消耗。、论文对四种节点定位算法及

7、汇聚节点的拥塞控制算法进行了仿真实验和性能评价，结果验证了算法的有效性。关键词：传感器网络，定位，循环三(四)边组合测量法，拥塞控制，加权最小二乘(WLs)Ⅱ英文摘要Recentadvancesinmicro-electro-meehanismsystem(MEMS)，communicationsandcomputingtechnologyhaveenabledthedevelopmentoflow．cost,self-organized，multi-functional，wirelesssensornodeswithshortcommunicationra

8、nge．Thesemicronodesleverag