无线传感器网络蒙特卡罗定位算法研究.pdf

湖南大学

硕士学位论文

移动无线传感器网络蒙特卡罗定位算法研究

姓名：宋琛

申请学位级别：硕士

专业：通信与信息系统

指导教师：罗娟

20080417
摘要移动节点定位是无线传感器网络研究中的热点问题之一，它根据少数锚节点，按照某种定位机制确定移动未知节点自身的位置。现有的无线传感器网络节点定位算法存在着测距方法受环境影响大、定位精度低和功耗大等问题，不适用于移动节点定位。随着无线传感器网络技术的不断进步和成熟，其应用将会越来越广泛，移动节点定位技术的研究对于移动无线传感器网络技术的性能提高和实用性保证有着重要的理论意义和应用价值。蒙特卡罗定位方法是与机器人感知和运动的概率模型有关的粒子滤波，它能够有效并且鲁棒地解决复杂定位问题。蒙特卡罗定位算法的定位精确性不受节点移动的影响，反而利用其移动性能提高定位的精度，减小定位的代价，将该方法应用于无线传感器网络中，能够帮助解决移动节点的定位问题。由于在后验密度分布取值较大区域中的样本数较少，利用蒙特卡罗定位算法进行定位需要大量的样本才能取得较好的效果。本文提出了一种遗传蒙特卡罗定位算法，将遗传算法中的交叉和变异两个操作引入到蒙特卡罗定位算法中，对样本进行优化，使样本向后验密度分布取值较大的区域移动，从而更好地表达系统的后验密度分布。仿真结果表明，遗传蒙特卡罗定位算法可以显著地减少定位所需的样本数，具有更高的定位精度和更好的鲁棒性。此外，通过引入锚节点影响力概念，本文还提出了一种加权采样蒙特卡罗定位算法。加权采样蒙特卡罗定位算法充分利用节点的移动性和多跳锚节点信息，用锚节点对未知节点位置的不同影响力来确定样本的权值，以提高定位精度。仿真研究显示，加权采样蒙特卡罗定位算法具有很好的分布性、可扩展性和鲁棒性，特别是算法在定位覆盖率等方面表现出了很好的性能，适合应用于大规模移动无线传感器网络。关键词：无线传感器网络；移动节点；定位；蒙特卡罗；遗传算法硕：E学位论文Ⅱ

丐娇作者签名：宗{糸宗缘湖南大学学位论文原创性声明学位论文版权使用授权书日期：口I}年，月2‘日I，宫年r月乩日本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：导师签名：日期：y年I．月o‘'日o
第1章绪论1．1课题来源1．2研究目的和意义本研究课题来源于国家自然科学基金项目(批准号：60673061){一类复杂环境下的无线传感器网络定位算法研究和湖南省自然科学基金项目(批准号：06JJ50111)：矿井无线传感器网络移动节点定位与动态轨迹跟踪研究。本研究旨在探讨无线传感网络中，无任何运动规律的移动节点的轨迹跟踪，研究适合特定环境的移动节点定位算法。微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络中的很多特定应用都依赖于传感器节点的位置信息，不知道传感器节点的位置而感知的数据是没有意义的。比如在战场中对敌方军事目标的定位和森林火灾方位的确定。此外，无线传感器网络的网络运行和管理也需要传感器节点位置信息的辅助，例如基于位置信息的路由、资源的有效配置、对外部目标的跟踪、计算网络覆盖范围和控制网络的负载均衡等。无线传感器网络中定位问题的研究正是基于上述广泛的网络管理和应用背景。移动节点的跟踪、节点的准确定位和节点轨迹的精确描述，是未来移动无线传感器网络应用研究中的一个重点，它既可以作为单独应用，也可以作为其它常见应用的一部分。尤其是在矿井复杂环境下的人身安全和紧急救助的应用中，寻找一种切实可行的定位方法，对位置不固定的矿工进行实时定位，以此来解决矿井复杂环境下的人员定位问题，为矿井安全提供预警。无线传感器网络移动节点定位的研究涉及了网络、数字信号处理、嵌入式系统等多知识的综合，可以广泛应用在家居监控、野生动物跟踪研究、森林