基于控制策略的无线传感器网络定位算法研究

发布时间：2019-08-16 12:27

【摘要】：本文主要从控制策略角度出发研究基于无线传感器网络(WSN)的定位算法优化问题。首先,根据模块化思想,论文建立了基于控制策略的定位算法分析框架及其优化分析工具。其次,论文利用分析框架对已有的定位算法进行模块化拆分和研究,并在此基础上细化了解各算法模块的具体构成,建立定位算法与分析框架的对应优化途径。最后,通过三个无线传感器网络的主要应用场景,论文利用分析框架对经典算法进行改良,提出相应的算法优化解决方案,并仿真验证了算法的有效性。论文的研究内容如下所示：1.在模块化分析的基础上,本文提出了基于控制策略的无线传感器网络定位算法分析框架。首先,论文在分析定位算法中影响因素和性能评价指标的基础上,研究了定位算法的运作机制,并提出用于模块化分析的IPO模式及其控制策略。其次,论文采用语义理论作为各定位算法模块的细化分析工具,在对定位算法模块进行本体研究的基础上,分析了模块内部的运作机制和影响因素之间的约束关系,为后续算法优化提供支持。2.在细化研究控制策略的基础上,本文提出了七种定位算法控制框架,即自寻优、自学习、自识别、自适应、自稳定、自组织和自协调等,并对每一种框架的功能、目的和应用方式进行了初步分析。与此对应,论文也对作为算法模块分析工具的语义网络进行了细化说明,明确阐释了语义网络的基本构成和运作方式,并从分析定位影响因素的约束关系出发,举例说明了语义网络在定位算法研究中的应用。3.根据定位算法的IPO分类,本文选取了无线传感器网络定位算法的三个主要应用场景,即分布式定位,三维定位和基于移动信标的路径规划,同时也选择了对应场景的经典定位算法,包括DV-Hop, APIT和S-曲线。通过对应用场景的分析和定位需求建模,本文设计了对应的控制策略组合,并通过语义网络研究明确了定位算法模块的实现细节及其改良算法。在分布式定位环境中,本文提出了基于混合计算模式的定位算法CRFDV-Hop。CRFDV-Hop通过对定位系统运行阶段的划分,在系统初始化阶段,以DV-Hop算法为基础,采用基于RSSI和位置反馈机制获得节点粗略位置,并在系统运行阶段通过建立基于汇聚节点的定位计算模式,极大地降低定位能耗的同时提升系统定位精度；在三维定位环境中,本文在快速定位算法APIT的基础上,提出了基于图形变换模式的三维定位算法RTD-APIT。RTD-APIT通过对投影在平面内的三角形进行扩展和镜像变换,解决了APIT算法中In-To-Out错误和Out-To-In错误,并将算法扩展到三维空间,同时RTD-APIT通过建立位置反馈机制和提升虚拟信标等模式,较好地解决了三维环境对定位系统中信标比例的苛刻要求;在大规模无线传感器网络布置环境中,本文提出了以移动信标为定位辅助手段,建立基于虚拟力模式的路径规划算法VFST。VFST以节点的位置反馈差值作为虚拟力的产生基础,有效地满足建立基于定位需求的路径规划要求,同时分别建立S-曲线的微观运动模式,消减了定位计算中的共线度误差问题,并建立了障碍物检测与避让模式,使得VFST更加适合节点大规模布置的真实定位环境。本文提出的基于三种场景的定位算法CRFDV-Hop,RTD-APIT和VFST,经过软件仿真分析表明了它们在对应场景具有良好的定位性能和较好的算法稳定性。
【图文】：

感器节点之间的协同工作，实现对监测目标的精确感知。与传统的传感器系统相比，ＷＳＮ在逡逑安装设置、网络管理、通信传递、可靠性、无线多跳传递等方面具有突出的优势。逡逑ＷＳＮ的工作原理如图１－１所示。无线传感器节点完成数据采集和预处理后，将数据通过逡逑多跳路由的方式传递到数据汇聚节点（Ｓｉｎｋ），由其将数据通过互联网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）传递给后台逡逑管理系统进行后期的数据加工和智能处理。逡逑监测区巧逡逑图１－１无线传感器网络体系结构逡逑１N１无线传感器网络xO究概述逡逑ＷＳＮ研究主要划分为Ｈ个层面，分别是通信与细网层，基础服务与管理层和应用层。其逡逑中，通信与组网层的内容包括ＱｏＳ邋（服务质量）、路由、ＭＡＣ邋（媒介访问控制）、物理层和拓逡逑扑控制等，，基础服务与管理层的内容包括定位、通信同步和系统管理等，应用层主要包括各逡逑种信息的处理和转换。逡逑１逡逑

感器节点之间的协同工作，实现对监测目标的精确感知。与传统的传感器系统相比，ＷＳＮ在逡逑安装设置、网络管理、通信传递、可靠性、无线多跳传递等方面具有突出的优势。逡逑ＷＳＮ的工作原理如图１－１所示。无线传感器节点完成数据采集和预处理后，将数据通过逡逑多跳路由的方式传递到数据汇聚节点（Ｓｉｎｋ），由其将数据通过互联网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）传递给后台逡逑管理系统进行后期的数据加工和智能处理。逡逑监测区巧逡逑图１－１无线传感器网络体系结构逡逑１N１无线传感器网络xO究概述逡逑ＷＳＮ研究主要划分为Ｈ个层面，分别是通信与细网层，基础服务与管理层和应用层。其逡逑中，通信与组网层的内容包括ＱｏＳ邋（服务质量）、路由、ＭＡＣ邋（媒介访问控制）、物理层和拓逡逑扑控制等，基础服务与管理层的内容包括定位、通信同步和系统管理等，应用层主要包括各逡逑种信息的处理和转换。逡逑１逡逑
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5

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本文编号：2527435