无线传感器网络无需测距定位算法的研究图文.docx

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无线传感器网络无需测距定位算法的研究图文

国内图书分类号：

ＴＮ９２９．５

国际图书分类号：

ＴＰ２１２．９

西南交通大学

研究生学位论文

无线传感器网络无需测距定位算法的研究

年级三ＱＱ扛级

姓．名陵民匦

申请学位级别亟：

±：

专业通信皇值：

垦丕统

指导教师廑型！

虚数援．二。

一二年五月

ｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｅｇｒｅｅＴｈｅｓｉｓ

西南交通大学

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。

本人授权西南交通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。

保密口，在一年解密后适用本授权书。

本学位论文属于，

不保密一

（请在以上方框内打“ｖ”）

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话、民丽日期：

？

，０１２．－壬ｇｇ－－月拥指导教日期：

西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。

本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。

本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：

１．论文在介绍ＤＶ－ｈｏｐ定位算法原理基础上，分析了ＤＶ－ｈｏｐ算法的

优缺点，针对算法在求平均跳距及坐标求解过程中出现的问题进行

改进，提出了本文改进算法ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ，介绍并分析文献［４８】中的

改进算法ＥＤＶ－ｈｏｐ。

２．通过仿真实验验证ＭｙＥＤＶｏｈｏｐ性能，并从定位精度、覆盖率和计

算量三个方面讨论，分别与原算法和一种改进的ＥＤＶ－ｈｏｐ算法进

行对比，验证了ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ算法在应用领域的可行性。

３．ＭｙＥＤＶｏｈｏｐ虽能很好提高定位性能，但在实际应用中定位精度仍

不够，而且还易受到环境条件的限制。

因此论文在分析Ｔａｙｌｏｒ级数

展开法优缺点的基础上，结合Ｔａｙｌｏｒ级数定位精度高，适应环境能

力强的特点，将ＭｙＥＤＶｏｈｏｐ算法的定位结果作为Ｔａｙｌｏｒ级数展开

．法初值，解决了Ｔａｙｌｏｒ级数展开法初值不易确定的问题，从而提出

了一种基于ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ和Ｔａｙｌｏｒ级数算法结合的定位算法

ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋，并通过结仿真实验室证明ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋性能优越性，

更加的符合实际应用需求。

学位论文作者签名：

豫民丽日期：

弘ｆ≥、５．易

摘要

随着无线传感器网络（ＷＳＮ）的迅速发展，无线传感器网络应用前景越来越广泛，如可以应用到军事国防、智能交通、医疗卫生、环境保护、制造业，精细农业等诸多领域。

作为一种新兴的信息获取和处理技术，它已成为当下通信和计算机领域中一个新的研究热点。

无线传感器网络节点定位是ＷＳＮ中众多应用的基础，定位精度是其关键性指标之一。

传感器节点所测量的数据信息是和节点的位置信息紧密相关的。

目前，虽然已有不少定位算法被提出，但是都还在理论研究阶段，节点自定位仍然是该领域中一个具有挑战性的难题。

在考虑节点能量、成本和体积的限制条件下，设计低能耗、低成本、低复杂度和高定位精度的ＷＳＮ节点的定位系统是当前研究的热点和难点。

本文在比较基于测距和无需测距两种定位算法的基础上，重点研究了无需测距的ＤＶ－ｈｏｐ定位算法。

首先，简单介绍了无线传感器定位技术的研究背景、国内外发展现状和研究意义等，概述了无线传感器网络的体系结构、网络特征和ＷＳＮ中的关键技术；总结ＷＳＮ中定位算法的分类，介绍了节点测量方法和无需测距中的几种典型的定位算法原理和特点，给出了无线传感器节点定位的性能评价标准。

其次，论文重点分析了ＤＶ－ｈｏｐ算法及其存在的问题，分别从求平均跳距及坐标求解两个阶段对算法进行改进，提出性能更高的改进定位算法ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ。

从节点定位误差、覆盖率和计算量三个方面对几种算法进行比较。

ＭＡＴＬＡＢ仿真实验证明，ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ性能最好。

最后，虽然ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ算法已经提高了性能，但是应用到实际环境中，定位精度仍不够，而且还易受到环境条件的限制。

论文在分析Ｔａｙｌｏｒ级数展开法优缺点的基础上，结合Ｔａｙｌｏｒ级数定位精度高，适应环境能力强的特点，将高定位精度ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ的定位结果作为Ｔａｙｌｏｒ级数展开法初值，解决了Ｔａｙｌｏｒ级数展开法初值不易确定的问题，从而提出了一种基于ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ和Ｔａｙｌｏｒ级数算法结合的定位算法ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋。

实验证明，ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋算法的性能更好，更加的符合实际应用需求；并在文章最后总结论文提出对未来研究工作的展望。

关键词：

无线传感器网络（ＷＳＮ）；定位；ＤＶ－ｈｏｐＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ；Ｔａｙｌｏｒ级数；ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｍｅｄｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｐｕｂｌｉｃｈｅａｌｔｈ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ａｎｄＳＯｏｎ．Ａｓａｎｏｖｅｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｃｑｕｉｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｂｅｃｏｍｅｓａｎｅｗｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｉｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｆｉｅｌｄｓ．

１１１ｅｎｏｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍａｎｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｉｎｗｈｉｃｈｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｉｓａｏｆｉｔｓｋｅｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．ＴｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｃｏｌｌｅｃｔｅｄｄａｔａｏｆＷＳＮｉｓｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｏｎｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｌｏｓｅｌｙ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ａｌｏｔｏｆｎｏｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｂｕｔｔｈｅｙａｒｅｓｔｉｌｌｆａｒａｗａｙｆｒｏｍｐｒａｃｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍａｎｄａｌｓｏｃｈａｌｌｅｎｇｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｓｅｆｉｅｌｄｓ．ＩｔｉｓａｆｏｃｕｓａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｌｙｏｆｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｔｈａｔｈｏｗＣａｎｄｅｓｉｇｎａｓｐｅｃｉａｌｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋＷＳＮｗｈｉｃｈａｒｅｃｏｎｆｉｎｅｄｂｙｌｏｗｃｏｓｔ，ｌｏｗｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ，ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｈｉ曲ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ．

Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｗｏｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｂｅｔｗｅｅｎｂａｓｅｄ—ｒａｎｇｅａｎｄｒａｎｇｅ．ｆｒｅｅ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｓｏｎｏｎｅｏｆｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｎｇ－ｆｒｅｅａｌｇｏｒｉｔｈｍＤＶ－ｈｏｐ．

Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ。

ｔｈｅｓｔａｔｅ．ｏｆ－ａｒｔｉｎＷＳＮａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｏｎｓｅｖｅｒａｌａｓｐｅｃｔｓ，ｓｕｃｈａｓｒｅｓｅａｒｃｈｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ，ａｎｄＳＯｏｎ；Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＷＳＮ，ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｎｄｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＷＳＮａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎＷＳＮａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄ；ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｒａｎｇｅ－ｆｒｅｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；ｔｈｅｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｒｅｇａｖｅ．

Ａｆｔｅｒｗａｒｄ，ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ，ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＶ－ｈｏｐｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｆｒｏｍｔｗｏｓｔａｇｅｓｗｈｅｎｉｔｅｓｔｉｍａｔｅｓｔｈｅａｖｅｒａｇｅｈｏｐｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓｏｌｖｅｓｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｃｏｎｔｒａｓｔｔｏｔｈｅｓｅｖｅｒａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｒｏｍｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓ：

ｎｏｄｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｅｒｒｏｒ，ｃｏｖｅｒａｇｅａｎｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＭｙＥＤＶ－ｈｏｐｉｓｔｈｅｂｅｓｔ．

Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｔｈｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆＭｙＥＤＶ－ｈｏｐｉｓｓｔｉｌｌｎｏｔｅｎｏｕｇｈａｎｄｓｕｓｃｅｐｔｉｂｌｅｔｏｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，

西南交通大学硕士研究生学位论文第ＴＴＩ页

ａｌｔｈｏｕｇｈｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ，ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｒｅｆｅｒｒｅｄｔｏａｓＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋，ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＭｙＥＤＶ－ｈｏｐａｎｄＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ．ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋ｔａｋｅｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｔｏａｄａｐｔｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｔｈｅＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ，ａｎｄｔａｋｅｔｈｅｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅＭｙＥＤＶ－ｈｏｐａｓｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｖａｌｕｅｏｆＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｓｏｌｖｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｉｔｉｓｈａｒｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｖａｌｕｅｏｆＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ．Ｔｈｅｎ，ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋ｉｓｂｅｔｔｅｒａｎｄｉｔｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｆｏｒｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋａｒｅｄｒａｗｎａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）；ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；ＤＶ－ｈｏｐ；ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ；Ｔａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ；ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋

西南交通大学硕士研究生学位论文第Ⅳ页

月三喜口刊Ｋ

摘要……………………………………………………………………………………………ＩＡｂｓｔｒａｃｔ…………………………………………………………………………………………．………………………．．ＩＩ目录………………………………………………………………………………………………………………………一ＩＶ第１章绪论…………………………………………………………．．．．…………………１１．１背景及意义……………………………………………………………………１１．２国内外发展现状………………………………………………………………．２１．３论文结构………………………………………………………………………３第２章无线传感器网络的概述………………………………………………………．５２．１无线传感器网络的体系结构…………………………………………………．．５２．２网络特征及其限制……………………………………………………………．６２．３无线传感网络的关键技术及性能评价………………………………………８２．３．１无线传感网络的关键技术…………………………………………………．８２－３．２无线传感网络的性能评价标准……………………………………………．．９２．４无线传感器网络的应用………………………………………………………９２．５本章小结……。

……………………．．．．…．：

……………………………………１１第３章无线传感器网络中节点定位技术…………………………………………．．１２

●

３．１ＷＳＮ节点定位基本概念及算法的分类…………………………………．１２３．１．１基本概念……………………………………………………………………一１２３．１．２定位算法的分类……………………………………………………………．１２３．２无线传感器网络节点定位测量方法………………………………………．．１４３．２．１三边测量法（Ｔｒｉｌａｔｅｒａｔｉｏｎ）…………………………………………………．１４３．２．２三角测量法…………………………………………………………………．１５３．２．３最大似然估计法……………………………………………………………１６３－３测距定位算法中典型的定位算法…………………………………………．．１７３．３．１ＲＳＳＩ测距法…………………………………………………………………………１７３．３．２ＴＯＡ测距法………．．．………………………………………………………１７３．３．３ＴＤＯＡ测距法……………………………………………………………．１８３．３．４ＡＯＡ测距法…………………………………………………………………．１８

３．４．６ＭＤＳ．ＭＤＰ定位算法……………………………………………………．２０３．５定位算法的评估及定位研究所面临问题…………………………………．２１３．６本章小结……………………………………………………………………．．２２第４章无需测距的ＤＶ．ｈｏｐ定位算法的研究……………………………………．．２３

４．１ＤＶ．ｈｏｐ算法…………………………………………………………………．２３

４．１．１ＤＶ．ｈｏｐ定位算法原理……………………………………………………。

２３４．１．２算法存在的问题……………………………………………………………２５４．２原改进算法ＥＤＶ．ｈｏｐ………………………………………………………．．２６４．３本文改进定位算法ＭｙＥＤＶ—ｈｏｐ……………………………………………２７４．４仿真结果与分析……………………………………………………………．．２８

４．４．１实验环境………………………………………………………………………２８４．４．２结果分析……………………………………………………………．２９４．５本章小结…………。

：

……………………√…．：

……………………………．．３６第５章适应性较强的ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ＋算法…………………………………………３７

５．１改进的ＭｙＥＤＶ．ｈｏｐ＋定位算法……………………………………………．３７

５．１．１ＭｙＥＤＶ—ｈｏｐ＋算法的描述………………………………………………３７５．１．２实验结果与分析……………………………………………………………３９５．２本章小结……………………………………………………………………．４１第６章总结与展望……………………………………………………………………．．４２

６．１论文总结………………………………………………………………………４２６．２未来工作展望………………………………………………………………．．４２致｛射………………………………………………………………………………………………………………………．．４４参考文献……………………………………………………………………………………４５攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果……………………………………………５０

近年来，随着微机系统（ＭＥＭＳ，Ｍｉｃｒｏ．Ｅｌｅｃｔｒｏ．ＭｅｃｈａｎｉｓｍＳｙｓｔｅｍ）、片上系统（ＳＯＣ，ＳｙｓｔｅｍｏｎＣｈｉｐ）、无线通信技术和传感器技术的迅速发展、强化以及不同学科间的交织，从而形成了由微小传感器组成的无线传感器网络（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ，简称ＷＳＮ）ｔ”３们，传感器网络中的这些节点具有感知数据、通信、处理数据、存储的能力。

目前，ＷＳＮ是国内外相当关注的一个前沿性热点研究方向，是２１世纪相当重要的技术之一，它会使人类将来的生活方式发生翻天覆地的变化。

无线传感器网络技术是集传感器、信息处理、嵌入式及无线通信等技术于一身的一种新兴信息获取和处理技术【５】。

首先大量传感器节点被部署在目标区域内，通过不同类型传感器节点间的实时紧密配合，对不同环境下的不同监测对象的信息进行感知采集，然后将采集到的信息通过无线自组多跳的通信方式发送到客户端，最后处理采集到信息，并发布到网络中去，以实现对目标区域的监测，为观察者提供决策机制，从而物质世界与人类社会之间的沟通。

由于ＷＳＮ具有快速自组织性、抗毁灭性强、容错性强、覆盖面积大等优点，因此它在军事国防１５６１、工农业【７１、城市管理【８】、生物医疗【９１０１、环境监测【１１１２１、抢险救灾、防恐反恐【１３】、高危区域远程控制等诸多重要领域都有很高的应用价值【１１。

纵使ＷＳＮ应用范围如此之广，但是在实际应用中它少不了定位这项关键技术，因此要求节点能够自定位，其位置信息在诸多领域中扮演着重要角色，只有在具备位置信息的情况下感知数据信息才有意义Ｉｌ引。

首先，对于ＷＳＮ的大部分应用场合，如在火灾发生现场，只有将监测到的信息数据（如温度等）所在的位置信息发回，这些数据才有意义，甚至有时只需要单纯的位置信息，因此传感器节点的位置信息是不可或缺的。

例如，在军事指挥方面，传感器节点随时发回与所处位置有关的战术信息，指挥官根据节点返回的战场信息，在了解位置信息后可对整个战场形势有更好的认知和把握。

因此，就应用方面而言，传感器节点的定位是传感网络中最基本的问题，研究具有可扩展性的传感器网络定位系统是ＷＳＮ关键性问题之一。

其次，针对网络自身而言，传感器节点根据其节点位置做出相应的决策，可以很好的实现系统无缝协调【ｌ５１６】。

同时，节点间的拓扑关系可以通过节点的位置信息来确定，也为节点间协作提供有利信息。

西南交通大学硕士研究生学位论文第２页

最后，节点位置信息为设计多个不同协议层提供支持。

节点位置信息可减少路由时间，提高路由效率，报告网络的覆盖情况等【１７】。

１．２国内外发展现状

自１９９０年后，Ｕ．Ｓ．Ａ开始筹划分布式传感器网络（ＤＳＮ）、集成的无线网络传感器（Ｗ玳Ｓ）【１８】、智能尘埃（ＳｍａｒｔＤｕｓｔ）［６１９１、无线嵌入式系统（ＷＥＢＳ）等一系列重要的ＷＳＮ项目进行研究。

２００１年美国国防部远景研究计划局（ＤＡＲＰＡ）首先意识到了ＷＳＮ在国防方面的重要性，基于Ｃ４ＩＳＲ提出了Ｃ４ＫＩＳＲ计划，强调战场信息的感知能力、信息的综合能力以及利用能力，还把ＷＳＮ网络作为一个重要研究领域，设立了ＳｍａｒｔＳｅｎｓｏｒＷｅｂ、灵巧传感器网络通信、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事ＷＳＮ网络研究项目［２１。

同时，美国多所重点高校也展开了对ＷＳＮ网络理论和关键技术的深入研究。

此时美国的一些大型ＩＴ公司（如Ｉｍｅｌ、ＨＰ、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ等）也逐渐介入该领域的研发工作，且相继启动相应的研发计划，同样也取得了许多重要的研究成果。

除美国外，其它国家（如日本、意大利和英国等）也相继加入ＷＳＮ相关领域的研究工作，表现出了很大的积极性。

中国对ＷＳＮ的研究也相当重视【２０】，发展进度和发达国家研究相持平。

自涉入该领域的研究以来，无线传感器网络的研究在中国倍受重视，它已成为中国科技领域少数位于世界前列的方向之一，是国家中长期科学与技术发展战略的重要研究方向之一１２ｌＪ。

作为无线传感器网络关键技术之一——传感器定位技术，从１９９２年开发出室内定位系统ＡｃｔｉｖｅＢａｄｇｅ［２２２３】至今，ＷＳＮ定位研究发展过程有两个部分。

首先主要侧重于基于基础设施的定位技术，具有代表性的有ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统【２４】，ＲＡＤＡＲ系统【２５１，ＳｐｏｔＯＮ系统【２６】等。

其次则可认为是无需基于基础设施的定位技术的研究，现在已是一个倍受关注的研究热点。

目前，现有的ＷＳＮ定位算法主要是根据有信标节点的定位方式，根据节点是否具有测距能力分为测距和非测距的定位方式。

基于测距的定位方式典型的定位系统有ＡｃｔｉｖｅＢａｔ系统，ＲＡＤＡＲ系统等，该系统中的节点需有测距能力的硬件，通常的测距方法有信号强度（ＲＳＳＩ，Ｒｅｃｅｉｖｅｄ

ＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ）口¨、到达时间（ＴＯＡ，ＴｉｍｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ）［２４】、到达时间差（ＴＤＯＡ，Ｔｉｍｅ

ＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ）［２８１、到达角度（ＡＯＡ，ＡｎｇｌｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ）［２９３０】等。

再根据实际需要采用不同的坐标求解方法计算出节点的位置。

Ｒａｎｇｅ—ｂａｓｅｄ算法定位精度相对较高，因为它是根据节点间的实际测量距离或角度来计算的，但也因此导致了对节点的硬件

杂时，算法定位精度会明显降低；Ｒａｎｇｅ．ｂａｓｅｄ定位算法较Ｒａｎｇｅ．ｆｒｅｅ算法相比定位精度相对更高。

近年来，由于Ｒａｎｇｅ．ｆｒｅｅ算法需要较高的信标节点密度，所以为了降低成本，研究人员提出了通过移动的信标节点来辅助定位，可以减少信标节点数量，提高了算法的定位精度和网络的定位覆盖率；也有人思考通过移动信标解决网络空穴问题，补充信标到空穴中，因此提高了定位性能，不过到目前为止，对网络中全部节点移动的情况研究还比较少。

目前，无线传感器网络的研究主要停留在理论研究阶段，如果能够很好的运用到实际应用中，无论从理论研究方面还是工程应用方面，任重而道远。

节点定位问题作为无线传感器网络的一个关键的基本研究问题，因此研究具有高定位精度，低功耗的定位算法是具有现实意义的。

１．３论文结构

本文在分析现有的无需测距的定位算法的基础上，归纳总结了现有的ＷＳＮ定位算法及各种算法的性能。

在跟踪国内外研究进展的基础上对ＤＶ－ｈｏｐ算法进行了深入的研究。

针对ＤＶ－ｈｏｐ算法在定位过程中出现的问题，对其进行了相应的改进，提高了系统和算法的性能，且从网络中的节点数量，信标节点的比例等处着手对定位精度、定位覆盖率和计算量等方面进行研究。

通过在ＭＡＴＬＡＢ下进行实验仿真，对比实验结果并分析算法性能。

论文共分六章，各章内容如下：

第一章认真总结ＷＳＮ定位的研究背景，分析了现实意义、科研价值以及国内外研究现状等，介绍本文的工作内容和研究成果。

第二章简要概述了ＷＳＮ的网络体系结构、网络特征，列举了无线传感器网络的关键技术，简明扼要的描述了在实际应用中所起到的作用。

第三章简述无线传感器网络节点定位的基本概念及其定位算法中几种常见分类方法，总结了无线传感器网络中Ｒａｎｇｅ．ｂａｓｅｄ和Ｒａｎｇｅ．ｆｒｅｅ两类定位算法中的几种经典算法，且在本章最后给出定位算法的评估标准。

第四章详细介绍无需测距的ＤＶ－ｈｏｐ定位算法，并分析算法出现的问题，根

据算法中遇到的问题提出本文中的改进算法ＭｙＥＤＶ－ｈｏｐ，另外还介绍了其中一种原改进算法ＥＤＶ－ｈｏｐ。

然后从定位精度、覆盖率和计算量三个方面给出了仿真分