基于图刚性理论的无线传感器网络定位技术研究

传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，可广泛地应用于环境监测、工农业控制、生物医疗、国防军事等诸多领域。传感器节点定位是传感网应用的关键技术之一，用来提供感知数据的精确位置以及相关地理信息服务。绝大多数实际部署的无线多跳网络采用三边定位法，迭代式的计算节点的位置。研究人员普遍认为三边定位作为基本定位单元，在机制上的改进空间不大。本项目结合无线多跳网络的特点，应用图刚性理论，着手基于轮状图的定位方法的研究。该方法突破了三边定位法的局限，在原理上修改了位置计算模式，在定位能力上有显著增强。同时，本项目对定位能力理论展开研究，探索节点可定位性问题，提出节点可定位性判据，旨在揭示此前定位领域不能回答的关键问题,即在给定的网络拓扑下一个节点是否具有被准确定位的可能。节点可定位性还可以作为评价定位算法能力的指标，为比较和选择适用于不同应用的定位算法提供依据。

随着网络技术向更广泛的互联互通的方向发展，物理世界与信息世界无缝融合的需求越来越高，定位技术成为沟通物理世界与信息世界的桥梁。围绕无线网络定位技术，项目负责人在国家自然科学基金面上项目的资助下，在项目执行期（2012年-2015年）发表论文36篇，其中SCI收录20篇；期刊论文包括IEEE/ACM Transactions论文16篇。出版学术专著1部。授权专利5项。. 项目负责人在项目执行期入选 “万人计划”——青年拔尖人才、北京市科技新星等，并成功申请2016年国家优秀青年科学基金支持。.项目负责人的主要研究工作为无线网络定位与可定位性，研究成果可应用于传感网、车联网、室内定位等多种无线网络；具体研究内容包括以下3 个方面。.. 1，无线网络可定位性理论. 可定位性是无线网络定位的基础理论，关注节点在特定网络拓扑下的位置唯一性。在本工作之前，可定位性理论缺失，不能回答本领域两个重要理论问题，即网络中有多少节点可定位以及如何具体判断特定节点是否可定位。本项目正式定义了节点可定位性，提出并严格证明了判断节点可定位性的精确判据。研究人员首次可以判断一个网络中可定位节点的数量并具体判断每个节点的可定位性，此前不精确的判据造成大量节点可定位性无法判别。.. 2，基于群智感知的室内定位. 主流的地图服务提供商包括谷歌地图、百度地图等在其室内定位模块中都采用基于信号指纹的定位技术。然而，这种技术依赖人工现场勘测，需要耗费巨大人力和时间，严重限制应用范围。本项目利用大量普通用户的无意识协作，在高维空间构建出“指纹空间”，采用多维标度进行匹配，将人工勘测环节成功众包给普通移动用户，使得基于信号指纹的定位具有广泛部署的潜力。.. 3，定位误差控制机制. 迭代式定位是三边定位一个用于无线自组织网络中的新特点，即网络中少量节点拥有准确位置信息，其余大量节点通过无线网络相互配合进而获得位置信息。在这种模式下，一次定位产生的误差在不断迭代的过程中累积并传播，定位误差随着网络规模增大急剧发散。项目负责人针对多跳网络中迭代定位的特点，提出“三边定位质量”的概念和计算方法；将位置计算、迭代顺序、参考点选择、定位结果修正在统一框架下进行了严格约定；实验验证，定位误差降低为传统方法的十五分之一。