基于信标优选机制的无线传感器网络节点自定位模型与方法研究

无线传感器网络的节点自定位功能是支撑其实现众多应用的核心基础功能，如何有效地解决节点自定位问题是一直以来的研究热点。针对无线传感器网络节点数目众多、能量有限、体积小、硬件支持有限等特殊性质，无需测距的定位模型较之基于测距的定位模型，是解决节点自定位问题的一类更为经济、合适的机制，但其主要存在的不足是对不规则网络拓扑的适应性差，严重阻碍了其实用化进程。为此，本项目拟建立网内信标在定位实现过程中的优选机制，在网络距离估计、未知节点位置计算及优化的各个阶段设计相应的信标优选算子，并与各阶段所使用的算法进行匹配，构建出对网络拓扑及中间计算误差自适应的节点自定位模型，为在低造价、低能耗要求下解决节点自定位问题提供新的思路。本项目的研究成果将为无线传感器网络在多样化的应用环境下有效地实现节点自定位提供方法选择与策略指导，具有良好的实用价值与应用前景。

在无线传感器网络节点的真实布设环境中，可能由于区域形状（非凸区域）、节点非均匀布设、障碍物、节点信号不规则传输等原因造成各向异性网络拓扑，这将使得现有模型与算法难以投入真实使用环境，或实用效果较差。研究与设计适合无线传感器网络组织结构特点的节点自定位模型与算法，并能达到使用的定位精度与覆盖率要求，具有重要的理论意义和实际的应用价值。本项目从算法研究的角度来探索解决问题的有效方法，不对现有的节点硬件条件作特殊的要求和限定，而是从定位模型的性能提高入手，改善现有定位方案在网络拓扑适应性、定位精度及覆盖率方面存在的不足，同时兼顾分布式定位、通信能耗以及算法复杂度等相关指标。本项目研究节点定位过程的各个阶段，包括网络距离估计阶段，节点位置计算阶段，节点位置优化阶段适用的算法，并研究各阶段算法间的有机融合机制，建立整体优化的定位模型。具体而言本项目的研究内容与成果包括：（1）深入研究了应用于无线传感器网络节点自定位场景中的一种经典的非基于测距的定位方法—DV-Hop，仿真了这一方法实现定位的各个步骤，包括距离矢量交换、网络距离估计、节点位置计算三个步骤。通过针对每一步骤的仿真实验对比了多种算法的性能，分析了实现每一步骤的具体算法存在的优缺点，提出基于原DV-Hop方法的改进策略。通过仿真实验与部分真实节点实验证明所提出的改进策略在网络拓扑及信标节点比例变化的状态下，都能取得优于原DV-Hop方法的定位精度，为实际应用中分布式节点定位方案的选择提供了优化的选择。（2）研究了经典的节点定位算法Lateration 与Min-Max在应用于三维场景时的定位性能。基于对Lateration与Min-max算法在二维空间的定位原理与信标选择策略的分析，开展了三维拓展算法模拟与实验，对这两种算法在三维空间使用时网内信标布设与参与计算的信标节点数目提出相关分析与策略指导，阐明这两种算法的应用条件（3）研究了将原DV-Hop方案中使用的网络距离估计算法及节点位置计算算法进行相应的三维扩展，应用于无线传感器网络的三维空间节点自定位场景时的算法性能，以仿真实验的形式，模拟了无线传感器网络的三维布设环境及网络距离估计过程，通过改变节点通信半径及网内信标节点布设比例来改变网络连接拓扑，测试所使用的节点位置计算算法在不同网络拓扑条件下的定位性能，进行算法间的对比性研究，为算法使用提供策略指导。