无线传感网络节点定位技术仿真研究毕业设计.doc
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1、无线传感网络节点定位技术仿真研究WIRELSS SENSOR NETWORK NODE LOCATION TECHNOLOGY SIMULATION毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解
2、 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明: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
3、。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书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 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。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日无线传感网络节点定位技术仿真研究摘要无线传感网络节点定位技术是无线传感网络重要的支撑技术之一。节点位置信息不仅是事件监测的前提,也是网络拓扑自配置、提高路由效率、向观察者报告所需信息的基础;不知道所获
4、信息所对应的位置,所获信息也失去了应有的意义。无线传感网络节点部署是随机的,由于受到布设环境和自身因素的影响,如何最大限度提高节点定位精度是无线传感网络定位研究领域的一个难点。因此,开展节点定位技术的研究具有重要理论和现实意义。本论文介绍了无线传感网络发展历程和结构模型,分析了无线传感网络中的关键技术,深入讨论了无线传感网络节点定位技术。着重研究了节点定位的概念、定位技术分类、定位的基本原理和基本方法,同时对现有的典型定位算法和定位系统进行了分析比较。论文重点对无线传感网络定位技术中的非测距定位DV-hop算法进行了深入研究,详细分析了其存在误差的原因。分别在二维和三维环境下提出了改进的节点定
5、位算法。(1)为了减小传统DV-hop算法的定位精度误差,论文在二维环境中提出了一种新的DV-hop定位算法。(2)针对新DV-hop定位算法存在覆盖率较低的问题,提出了一种升级虚拟锚节点的定位算法。(3)在三维环境下,提出了一种新的三维节点定位算法。关键词:节点定位,DV-hop,锚节点,平均跳距权值,跳数权值WIRELSS SENSOR NETWORK NODE LOCATION TECHNOLOGY SIMULATIONABSTRACTThe wireless sensor network node location technology is an important supporti
6、ng technology for WSN. The node position information of WSN is not only the premise of monitoring events, but also it is the basis of the network topology from the self-configuration, improve routing efficiency and reporting the information required to observers. If we do not know the position infor
7、mation, the information we are interested will lose its proper meaning. Wireless sensor network nodes are randomly deployed. How to maximize the localization accuracy of localization is a difficult research area in wireless sensor networks for the effect of the layout environment and factors of its
8、own. Therefore the research for the wireless sensor network node location technology has important theoretical and practical significance.This paper introduced the development course of wireless sensor network and the architecture model of the wireless sensor network, analyzed the key technology for
9、 wireless sensor networks, and thoroughly discussed wireless sensor network node location technology. Focused on the concept of node localization, the location classification, the basic principles and methods of localization, and the criteria of positioning performance evaluation are made a more det
10、ailed analysis and research, while some typical existing location algorithms and systems are made a brief introduction and comparison. The paper focused on the Range-free positioning algorithm of wireless sensor networks DV-hop in-depth study, and analyzed the reasons for the existence of error in d
11、etail. Then, this paper presented the improved localization algorithms in two-dimensional and three-dimensional environment respectively.(1) The paper presented a new DV-hop localization algorithm in the two-dimensional environment to improve localization accuracy error of traditional DV-hop algorit
12、hm. (2)For the novel DV-hop localization algorithm have the problem of low coverage, a location algorithm which upgraded the virtual anchor nodes algorithm was presented. (3)In the three-dimensional environment, the paper presented new three-dimensional localization algorithms.KEYWARDS: node locatio
13、n, DV-hop, anchor node average hop-distance weight hop weight目录1绪论211 研究背景目的及意义2111 研究背景2112 研究意义212 国内外研究应用现状与发展趋势31.2.1 国内外研究应用现状31.2.2 发展趋势41.3 论文研究思路及章节结构42无线传感网络的组成结构及其关键技术62.1 无线传感网络体系结构62.2 无线传感网络的关键技术92.3 无线传感网络的应用113无线传感网络定位基本原理133.1 无线传感网络定位技术概述133.1.1 无线传感网络定位的概念133.1.2 无线传感网络定位技术有关术语143.
14、1.3 无线传感网络定位技术特点143.1.4 无线传感网络定位技术相关应用153.2 无线传感网络定位基本方法163.2.1 基本原理163.2.2 节点间距离的测量方法173.2.3 目标位置计算方法203.3 无线传感网络典型定位算法和定位系统233.3.1 几种典型的定位算法2334 本章小结284DV-hop算法研究2941 引言294.2 传统DV-hop算法294.3 传统DV-hop算法误差分析304.4 新的DV-hop算法的设计及其实现334.4.1 跳数计算334.4.2 节点距离的计算334.4.3 锚节点组的选定和位置估计354.5 本章小结365三维节点定位方法37
15、5.1 引言375.2 三维节点定位的必要性375.3 几种典型三维节点定位算法375.3.1 传统质心算法375.3.2 一种新的质心算法395.3.3 Landscape-3D算法415.3.4 APIS算法425.4 新三维节点定位算法的设计及其实现435.4.1 跳数计算435.4.2 距离计算435.4.3 位置估计435.4.4 新三维定位算法的执行465.4.5 仿真实验465.5本章小结48全文总结49参考文献50致谢511绪论11 研究背景目的及意义111 研究背景随着无线技术的快速发展和日趋成熟,无线通信也发展到一定的阶段,其发展的技术越来越成熟,方向也越来越多,越来越重要
16、,大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展,使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器,可组成无线传感器网络(WSN)。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电,工作环境通常比较恶劣,而且数量大、更换非常困难,所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一,因此,它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进,需要精心设计的软硬件系统,以使其可靠而耐用
17、。2003年,美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国今日防务杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。低功耗无线传感模块,便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久,是计算机应用的扩展,采用了大规模集成电路和嵌入式技术,使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高, 有的性能高但是功耗太大。因此,在无线传感技术应用如此广泛的今天,在保证无线传感模块性能的同时又能实现其
18、低功耗具有一定的理论和现实意义。112 研究意义无线传感网络是一种开创了新应用领域的新兴概念和技术。当前,传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。低功耗无线传感模块研究具有极其重要的学习和研究价值,其功能的实现具有极其重要的理论和现实意义。首先,现有的众多研究中,将性能和低功耗相结合的较少,有的只考虑低功耗而性能不高,有的性能高但是功耗太大。本文综合了性能和低功耗的共同需求,经过深入的分析和对芯片的数据比较,提出了低功耗无线传感模块的硬件设计思路。其次,增加无线传感模块的应用。无线传感模块应用已非常广泛,除去组成无线传感网络的应用
19、外,无线传感技术还广泛的应用于环境监测,如车间温湿度、压力等;短距无线通信等。实现了无线传感模块的低功耗,其对电能的需求就会更小,应用的范围将会进一步的扩大。12 国内外研究应用现状与发展趋势121 国内外研究应用现状无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点,它是组成无线传感网络的基本部分。最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末,题为“传感器走向无线时代”。传感技术的发展经历了一般传感器、智能传感器、无线传感器等几个阶段。一般传感器,是最早产生的传感器,只能实现数据采集;智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合,使得传感模块不但能够实现数据等信息采集,还能对所采集到的
20、信息进行一定程度的计算和处理;无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块,使得传感器不再是单独的感知模块,而是一个能够实现数据采集、处理,信息交换和控制的有机整体。为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通,无线通信技术获得了蓬勃发展。在正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基础技术支持下,多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。作为蓬勃发展的无线技术,近几年正是其大变革时期。随着几种重要基础技术的推广和实际应用,无线通信的速度也将得到大大提高。无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支,由于越来越多的应用方案开始采用无线节点进行数
21、据采集和通信。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感网络,是当前的热点研究领域。而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障,因此无线传感模块的设计,传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica 系列、Telos 、IRIS 和Imote2 等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。有些节点具有高性能但功耗较大,如Imote2 节点,不适用于能量受限的应用环境。其他一些节点,如Telos 、Mica 等, 由于设计时间较早,其性能已经落后于当今的
22、集成电路工业设计水平。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电,工作环境通常比较恶劣,而且数量大,更换非常困难,所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。IT P(美国再生能源办公室工业技术计划) 在2002年发布的报告“21世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言:无线传感器可将能源利用率提高10%,将能源损耗减少25%。后来的研究,如Intel ( r) Mote 的研究项目则注重了三个方面的要求,包括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置,希望做到平衡功耗与性能的矛盾,但目标的实现还需要一定的努力。MIT 发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设计,他们的传感器的主要
23、功能是数据收集,采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起,其目的是为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统。随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展,传感技术也会得到不断的发展和完善。并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网络当中,以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。122 发展趋势正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用,使得它受到了来自军事、工业和商业以及学术专家的极大关注。其发展方向必然是无线通信的网络化,即通过自组网的方式形成动态、自适应的无线传感网络。而无线传感网络WSN是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前
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