无线传感器网络节点定位算法的研究概要文档格式.docx

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（２）介绍了无线传感器网络的相关概念及定位技术基本原理。

（３）介绍了无线传感器网络节点定位技术的基本原理以及定位算法的评价体系，讨论了当前各种定位算法的分类，然后介绍了目前节点定位技术常见的一些定位算法。

（４）论文重点对无需测距自定位算法中的ＡＰＩＴ算法进行了研究，并提出了一种改进的节点自定位算法，给出了算法的基本原理和实现方法。

（５）对改进算法进行仿真试验。

仿真试验结果表明：

与原算法相比，该算法提高了定位精度和覆盖率，显著改善了定位性能。

（６）工作总结及下一步工作方向的展望。

关键词：

无线传感器网络，锚节点，定位算法，距离无关

太藤瑗工大学疆±

醺究奎学霞论交

ＳＴＵＤＹＯＦＬＯＣＡＬＩＺＡＴＩＯＮ

ＡＬＧＯＲ删ＭＩＮＷＩＲＥＬＥＳＳＳ嚣ＮＳＯＲＮＥＴＷＯＲＫＳ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ

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Ｓｉｎｃｅｔｈｅｎｏｄｅｓａｒｅｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｙｓｉｚｅ，ｃｏｓｔ，ｅｎｅｒｇｙａｎｄｗｏｒｋｕｎｄｅｒｔｈｅ

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ｔｈｅｉｒＩｌｌ

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Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｂａｓｅｄ

ｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆｒｅｃｅｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｐｏｒｔｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｎＷＳＮ．Ｉｔｓｍａｉｎｗｏｒｋｉｎｃｌｕｄｅｓ：

（１）Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ

ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｒｔｉｃｌｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｏｒｙｈｅａｄｗａｙｏｆＷＳＮａｔｈｏｍｅ

ａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．（２）ＴｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆＷＳＮａｎｄｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｎｏｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＷＳＮ

ａｒｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．

（３）Ｔｈｅｅｖａｌｕａｔｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｏｆｓｅｌｆ－ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎ

ＷＳＮａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ

ｃｕｒｒｅｎｔｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓａｒｅ

ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ．（４）Ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｆｏｃｕｓｅｓ

ｏｎｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＡＰＩＴｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｎｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｉｓｓｕｅｓ．

（５）Ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｄｏｎｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ

ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ

ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅＡＰＩＴａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ａｎｄＣａｎｉｍｐｒｏｖｅｌｏｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄ

ｃｏｖｅｒａｇｅｒａｔｅ．（６）Ｓｕｍｍａｒｙａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅｘｔｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅｍａｄｅ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：

ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｃｈｏｒｎｏｄｅ，ｌｏｃａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｒａｎｇｅ—ｆｒｅｅＩＶ

声明

卢明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

垒叁！

邋鱼日期ｌ丝翌堡：

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关于学位论文使用权的说明

本人完全了觎太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；

②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；

③学校可允许学位论文被查阅或借阅；

④学校可以学术交流为：

目的，复制赠送和交换学位论文；

⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。

签名：

堡叁遗日期：

鲨茎！

≤：

生导师签名：

太骧莲工大学磺士醑究生学位论文

１．１研究背景

第一章绪论

传感器网络是指将多数传感器通过近距离通信和数据交换技术组成的网络。

这种传感器网络综合了传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术，能够实时监测、采集网络分布区域内的信息，进行处理后传送到用户。

其典型工作方式如下：

使用飞行器将大量传感器节点（数量从几百到几千个）抛撒到目标区域，节点通过自组织快速形成一个无线隧络。

随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点借助于肉置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多部署者感兴趣的物质现象。

在网络中，节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者。

采集的数据通过多跳路由到达网关。

网关（也称为Ｓｉｎｋ．Ｎｏｄｅ）是一个特殊的节点可通过Ｉｎｔｅｍｅｔ、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可利用无入机飞越网络上空，通过网关采集数据。

与传统的信息获取方式相比，无线传感器网络具有自组织、功耗小、凛价和快速部署、可扩展性强、能在恶劣和特殊的环境下正常工作等优点。

在不同的应用中，传感器节点设计也各不相同，但是它们的基本结构是一样的。

节点的典型硬件结构如图１．１所示，主要包括电池及电源管理电路、传感器、信号调理电路、ＡＤ转换器件、存储器、微处理器和射频模块等。

节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力。

为了最大限度的节约电源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；

在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺糕其饱的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。

传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医学、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，融经引起了许多囡家学术界和工业界的高度重视，被认为是对２１世纪产生巨大影响力的技术之一。

传感器ｌＩ电池及电源管理电路ｌＩ存储器

信号调理电路ＨＡＤ转换器—十一＿叫微处理器Ｈ射频模块

图１－１无线传感器网络节点构造

Ｆｉｇｌｌｒｅ卜１ＮｏｄｅＣｏｎｓ仇ｌｃｆｉｏｎｈｌＷ№ｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅ俩ｏｒｋ

１．２国内外研究现状

作为一种全新的技术，无线传感器网络具有许多挑战性的研究课题，而定位就是其中之一。

定位是大多数应用的基础。

无线传感器网络中的定位机制与算法包括两部分：

节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。

由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。

目前在国外已有多家研究机构、大学和公司投入了大量的人力财力进行了这方面的研究，并取得了相应的进展。

在此，我们仅做一些简单介绍，详细可参考相关资料及信息：

美国五角大楼提出了“智能尘埃”的设计思想，目的是在战场上抛洒数千个微小的具有无线通信功能的传感器模块，用于监控敌人的活动情况。

分布在战场各个角落的节点采集相关原始数据并进行滤波，再通过自组织的无线传感器网络把重要的信息发送回指挥部。

该智能传感器模块正处于原型开发阶段，由加州大学伯克利分校和英特尔公司共同研制。

加州大学伯克利分校ＤａｖｉｄＣｕＵｅｒ教授领导的科研小组在缅因州的大鸭岛上布置了３２个节点组成的传感器网络，实现对一种海燕生活习性的监测。

节点有分布在环境中的，有分布在鸟巢里面的。

每个节点具有温度、光线、气压湿度传感器，感知各种信息，通过网络传送给岛上的基站，基站与笔记本电脑相连，电脑再通过通信卫星将数据传回给伯克利的实验中心。

实验中心的专家通过各种数据的融合，可以获知海燕的生活习性。

例如通过分析巢内的温度值，可以了解海燕觅食的习性，因为海鸟在不在巢内温度有差异‘１１。

目前，国内一些高等院校与研究机构已积极开展无线传感器网络的相关研究工作，２

太原瑾工丈学磺圭研究生学位论文

主要有清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学等。

舀前国内研究热点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域，在支持无线传感器网络的无线通信阏络技术的研究尚不多见。

随着无线传感器网络应用的圈益发展与不断深入，支持无线传感器圈络的无线通信网络技术、超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术的研究将成为未来无线传感器网络应用的发展趋势和热点。

总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还很少。

由于无线传感器网络是～门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的翁沿科技的研究，对整个国家、社会及经济将有重大的战略意义。

１。

３本文内容及结构安排

作为无线传感器网络重要的共性支撑技术之一，无线传感器网络节点定位闻题的研究具有非常重要的意义。

本文对己有的无线传感器网络中的节点定位算法进行了深入的研究，并对其中的ＡＰＩＴ（ＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｅＰｏｉｎｔ－Ｉｎ—ＴｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎＴｅｓｔ，近似三角形内点测试）算法提出了改进，分析了改进算法的性能，并同原有的ＡＰＩＴ算法做比较，阐述了改进算法的优劣性。

本文及其他各章节的安排如下：

第一章主要介绍了本文的研究背景，传感器网络的研究现状以及本文的内容组织结构。

第二章整体介绍了传感器网络的概念、特点、体系结构及应用领域，同时还介绍了传感器网络节点定位技术的现状，相关问题及研究进展等。

由此我们可以看到传感器网络是很具有实际应用价值的，但真正地完全实现还需要很多人付出很多的努力，才能解决传感器网络面临的很多难题。

第三章详缁介绍了传感器网络节点定位算法，包括定位算法的基本原理、评价体系等，并将现有定位算法进行分类，介绍了几类常用定位算法。

第四章详细阐述了ＡＰＩＴ算法各阶段的理论流程，对该算法的应用范圈、产生误差等因素进行了深入讨论，并在原有ＡＰＩＴ算法基础上提出了改进的ＡＰＩＴ算法，详细介绍了改进算法的思路和流程，并对改进算法进行了理论分析。

３

第五章对改进后的算法进行仿真分析，并将其结果与原算法进行比较，对改进算法的优点做出了论证。

第六章对整篇文章进行了总结并提出下一步的工作展望。

４

第二章无线传感器网络及定位技术概述

２。

｛无线传感器网络简介

１．１无线传感器网络特点

无线传感器网络是随着微机电系统（ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｙｓｔｅｍ，筒称ＭＥＭＳ）、无线通讯和数字电子技术的迅速发震而出现的一种新的信息获取和处理模式。

它是由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象，实现对所在环境的监测。

无线传感器网络诞生于军事领域，并逐步应用到民用领域。

由于无线传感器网络通常运行在入无法接近的恶劣甚至危险的环境中，能源无法替代以及传感器溺络节点本身是微功耗的，因此无线传感器网络具有能量有限性的特点。

在无线传感器网络中，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。

而且由于无线传感器节点本身的不确定性（容易失效、不稳定性、能量的有限性）及传感器节点的规模（数量、密集程度）等问题决定了无线传感器网络是以数据（信息）为中心的，因此只考虑信息的获取，对网络的物理结构和传感器节点本身的状况较少考虑。

与传统的无线网络相眈，无线传感器网络具有以下特点：

（１）硬件资源有限。

节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。

这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。

（２）电源容量有限。

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）。

因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要｜以节能为前提。

（３）无中心。

无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个５

对等式网络。

结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

（４）自组织。

网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

（５）多跳路由。

网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。

如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。

固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。

这样每个节点既可以是信息的发起者，也是信息的转发者。

（６）动态拓扑。

无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；

一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；

一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。

这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

（７）节点数量众多，分布密集。

为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。

传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。

２．１．２无线传感器网络体系结构

传感器网络系统通常包括传感器节点、终端节点和观察对象。

每一个传感器网络节点构成了无线传感器网络的物理层支持平台。

大量传感器节点随机部署在检测区域范围之内，通过自组织方式构成网络。

传感器节点根据一定的ＭＡＣ（ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒ０１）协议和路由协议将收集到的数据、并协同处理后的数据传送到终端节点，最后通过互联网或者通信卫星传递到管理中心。

从本质上来说，传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，由电池提供能量，具有有限的计算、存储、通信能力，节点的通信距离也比较短，一般只与其紧邻的节点交换信息，通过多跳的方式传输数据。

因此，节点在网络中兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地数据采集和处理外，还要与其他节点协作进行数据存储、融合等处理。

相对而言，网关节点的计算、存储、通信能力较强，可以是特殊的网关设备，它实现了传感器网络和外部网络的互连。

图２．１描述了无线传感器网络的基本体系结６

太原瑾誓大学醺士研究生学像论文

构，但是针对特定的应用环境，网络的结构可以有所不同。

霉２－１羌线抟感器建络的基本体系结构

Ｆｉｇｕｒｅ２－１ＢａｓｉｃＳｙｓｔｅｍＩｎＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ

感器节点

图２。

２表示的是无线传感器网络协议层次结构【２】。

在这个层次结构中，无线传感器网络各层都设计到三个管理：

能量管理、任务管理和移动管理。

但是各层实现这三个管理的侧重点不同。

比如应用层主要考虑任务管理，给各个子网和传感器节点分配监测任务。

应眉层也考虑移动管理，焉能量管理剃由网络层与数据链路层承担，移动管理在这鼹层也有一定的实现。

物理层连有能量管理，但是较少考虑移动管理和任务管理闻题。

各神无线传感器网络协议如下图所示：

应震瀑传输层网络层数据链路层

物理层

能Ｅ里管理

移动管

理

任

务

鬻

图２－２无线传感器网络典型协议结构

Ｆｉｇｕｒｅ２—２ＴｙｐｉｃａｌＰｒｏｔｏｃｏｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅＩｎＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ７

２．１．３无线传感器网络应用领域

无线传感器网络本身的特点和它所使用的技术决定了在军事、民用领域都有广阔的应用前景，主要表现在军事、环境、健康、家庭和其他商业领域。

当然，在空间探索和灾难拯救等特殊的领域，无线传感器网络也有其得天独厚的技术优势。

（１）军事应用

无线传感器网络具有部署简单、拓扑动态和自组织性等特点，可以通过飞机等工具隐蔽的部署在大范围的区域。

在军事战争中，通过无线传感器网络可以实现侦察敌方军事部署、观察部队动向、进行目标追踪等任务。

将传感器节点通过飞机从高空抛撒到敌方的军事区，或者是军事要道等战略要地，传感器节点可以自组织的形成无线传感器网络，并对整个网络区域进行数据搜集、目标追踪等。

除了在常规的军事战争中完成基本的军事侦察外，无线传感器网络还可以通过部署特殊的传感器节点应用到生物战争和化学战争中。

传感器节点可以实现对生化武器的监测和追踪，向指挥者及时提供情报信息，有利于正确防范和进行有效反击。

（２）环境监测

在环保领域，可以在应用区域部署无线传感器网络以进行森林防火、洪水监测、污染监控、精确农业和生物种群研究等。

由于传感器节点可以有针对性地、随机地、密集地部署在森林中，传感器节点可以准确地测量出火灾开始的位置，并在火灾发展到不可控制前将数据发送到终端的监控中心。

数以千计的传感器节点都集成了无线电收发装置，并且它们都采取有效的节能方式工作。

可以采用太阳能电池，因为传感器在部署好了后可能几个月甚至几年都不需要人为管理。

传感器节点之间相互合作来执行分布式的感知，可以克服由于树木、岩石等物体的阻碍而造成的无线通讯困难。

环境监测的另一个例子是美国的ＡＬＥＲＴ系统【３】，系统中有数种类型的传感器来监测降雨量、河水水位和气候，这些节点以预先指定的方式将数据发送给数据库中心。

其它研究项目，如Ｃｏｍｅｌｌ大学的ＣＯＵＧＡＲ设备数据库项目，Ｒｕｔｇｅｒｓ的Ｄａｔａｓｐａｃｅ项目，都在研究分布式的方法和传感器网络节点的相互关系来提供即时的和长时间的查询。

（３）医疗健康

如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用无线传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时的处理；

还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用

的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。

此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。

总之，无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

Ｈ）生溪改善

随着传感器技术在军事、工业、环保和医疗等领域的广泛应用和研究，传感器网络开始应用在改善人们的生活水平方面。

例如在家庭电器设备中嵌入传感器节点，通过无线传感器网络和因特网，人们可以获得更加舒适、方便和智能的智能家电设备。

（５）空间探索

探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借动于航天器布撒的无线传感器网络节点实现对星球表蠢长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。

（６）其他商业应用

自组织、微型化和对外部世界的感知能力是无线传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。

比如嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Ｉｎｔｅｍｅｔ连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。

１．４无线传感器网络研究进展

（１）传感器节点的定位阀题

传感器节点的放置大部分采用随机放置的方法，因为它数毯众多，考虑到费用闻题，每个节点都带有定位系统是不可能的。

定位是大多数应用，特别是军事应用的基础。

一般采用的方法