【摘 要】
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无线传感器网络以其能够通过协作方式便捷有效地感知、传递和处理网络监测区域信息的特性,在如今的互联网时代得到了充分地研究和发展。在构建无线传感器网络过程中传感器节
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无线传感器网络以其能够通过协作方式便捷有效地感知、传递和处理网络监测区域信息的特性,在如今的互联网时代得到了充分地研究和发展。在构建无线传感器网络过程中传感器节点通常随机播撒在目标区域或者均匀地部署在特定区域进行数据的采集与传输。在无线传感器网络的研究中,定位技术是一种重要的理论基础,也是无线传感器网络相关的数据监测、通信和管理等领域应用中一个必不可少的环节。若节点位置信息不准确,将会对进一步研究的数据信息产生直接影响;甚至会给相关的研究工作造成重大失误,浪费资源而达不到预计目标。所以,研究如何能够精确的定位节点的位置已经成为一个无线传感器网络相关研究中的重要问题。无线传感器网络的定位算法可以分为基于测距(range-based)的定位算法以及无需测距(range-free)的定位算法。基于测距的定位算法需要外部设备的支持,测量精确,但在复杂的环境中测量设备受到限制影响较多,不能达到较理想定位效果;而无需测距的定位算法只需通过网络节点相关信息就可估算出未知节点的位置,不需要外在的硬件设备支持,成本低廉。而在无需测距定位算法中,DV-Hop定位算法又以其相比较于其它算法简单、容易实现以及定位精度在可以接受范围内的特点,成为了吸引大量学者关注与研究的热门算法。本文通过深入分析DV-Hop定位算法的原理及误差产生原因,研究大量DV-Hop改进算法的文献资料,对DV-Hop定位算法进行了探讨与改进研究。主要的工作有:通过分析研究DV-Hop算法的性质与原理,了解到算法产生误差的原因分为主观和客观两方面。主观方面主要是由于网络节点中锚节点所占比例不恰当,以及算法本身的不合理使得网络中的锚节点与未知节点之间的跳数信息、平均每跳距离值的计算产生误差;而客观方面主要由节点随机分布产生不良节点以及复杂的环境、障碍物的存在或设备故障所导致。提出一种基于障碍物环境下DV-Hop定位改进算法。针对DV-Hop算法的不足之处,为了减小误差的累积,对节点数据传输的范围进行限制;其后,针对监测环境中存在障碍物阻断节点信息传播造成误差的情况,对锚节点进行筛选,进而改进锚节点的平均跳距;然后计算锚节点平均每跳距离的误差,根据误差对平均跳距进行误差加权修正处理,再在此求得平均跳距的条件下利用三角函数结合两锚节点间的准确距离共同计算未知节点到锚节点的距离,使得定位结果更准确;最后,采用粒子群(PSO)优化算法对定位节点进行优化计算。通过仿真实验表明,提出的改进定位算法比传统算法定位精度有明显的提高,减小了定位误差。提出一种基于凸优化的WSN障碍环境下的定位算法。针对DV-Hop算法在定位过程中由于平均每跳距离估计值存在的误差,节点随机分布产生的不良节点造成的跳数误差,以及因此造成的未知节点与锚节点跳段距离误差导致定位精度低的问题进行定位优化。由于凸优化问题局部最优解一定是全局最优解的特性,使得优化问题可以迭代求的最优解,大大减小了计算难度。仿真实验表明,DV-Hop定位改进算法比原始算法在不增加额外设备的条件下,降低了定位误差,提高了节点的定位精度。本文通过对无线传感网络结构特性以及WSN网络定位算法的研究,分析了误差产生的原因并根据不同情况通过对DV-Hop算法各个定位阶段的优化改进,提高了网络定位的精度,增强了其适用性。
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