无线传感器网络中基于DVHop定位算法的研究.docx

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无线传感器网络中基于DVHop定位算法的研究

本科毕业设计（论文）

题目:

无线传感器网络中基于DV-Hop定位算法的研究

本科毕业设计（论文）任务书

学院

信息与通信工程学院

专业

通信工程

班级

学生姓名

学号

班内序号

30

指导教师姓名

职称

设计（论文）题目

无线传感器网络中基于DV-Hop定位算法的研究

题目分类

1、工程实践类□研究设计类√理论分析类□（1、2类中各选一项在□内打√）

2、软件√硬件□软硬结合□非软硬件□

题目来源

题目是否来源于科研项目是□否√

主要任务及目标：

了解无线传感器网络的基本概念和相关知识，归纳和总结目前无线传感器网络节点定位研究情况，对无线传感器网络定位问题进行综述，介绍节点定位基本概念和基本算法，针对经典的无线传感器网络自定位算法DV-Hop算法进行仿真，并且提出一种改进算法。

主要内容：

DV-Hop算法的基本思想是：

由于无线传感器网络节点通信距离有限，往往要通过多跳路由的方式进行数据的传输，节点本身只与其邻接节点交换信息。

于是将未知节点与信标节点之间的距离用网络平均每跳距离和两节点之间最短路径跳数之积来表示，使用三边测量法获得节点位置信息。

虽然未知节点通信范围内的信标节点数量不多，但是采用上述方法可以获得未知节点通信范围外多个信标节点的估计距离，利用大量的信息进行定位。

主要参考文献：

[1]孙利民，李建中，陈渝，朱红松.无线传感器网络.北京，清华大学出版社，2005年

[2]王庆生，闫伟东.无线传感器网络DV-Hop定位算法的改进.太原理工大学，计算机与软件学院，山西太原，030024

[3]李思，陈建明，廉恩杰等.无线传感器网络DV-Hop定位算法的研究与改进.军械正程学院学报.第2l卷第5期.2009年lO月

[4]解慧英.无线传感器网络中一种改进的DV-Hop定位算法.[学位论文].武汉科技大学.20080321

[5]刘克中，王殊，胡富平等．无线传感器网络中一种改进DV-Hop节点定位方法.信息与控制.2006

[6]高雷,郑相全,张鸿.无线传感器网络中一种基于三边测量法和质心算法的节点定位算法.重庆工学院学报（自然科学）.2009年7月

[7]林金朝，刘海波，李国军等.无线传感器网络中DV-Hop节点定位改进算法研究宰.计算机应用研究.第26卷第4期.2009年4月

[8]乔卫.无线传感器网络DV-Hop定位算法的研究与应用.[学位论文].西北大学.20080624

进度安排：

第一、二周（3.15-3.29）：

收集有关无线传感器网络定位算法的资料。

第三、四周（3.30-4.13）：

认真研究有关无线传感器网络定位算法的资料，将DV-Hop定位算法作为主要的研究对象，认真学习DV-Hop定位算法的相关内容。

第五、六、七、八、九周（4.13-5.18）：

将DV-Hop定位算法用matlab仿真，得出仿真结果。

提出一种对DV-Hop定位算法的改进算法，并且与DV-Hop定位算法做出对比分析。

第十、十一周（5.18-6.1）：

对比分析仿真结果，得出结论，并完成毕业设计论文。

指导教师签字

日期

年月日

注：

一式二份，学院、学生各一份。

本科毕业设计（论文）诚信声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目《无线传感器网络中基于DV-Hop定位算法的研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

日期：

无线传感器网络中基于DV-Hop定位算法的研究

摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点（以下称节点）组成，

通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，从而协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

无线传感器网络自身特性决定了其在环境监测、军事、高危险领域中有着广泛的应用前景。

在无线传感器网络中，节点的位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置和获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置的监测消息变得毫无意义。

因此对无线传感器网络节点定位算法的研究具有重大的理论意义和实际意义。

本文着重研究无线传感器网络中节点自定位经典算法DV-Hop（distancevector—hop）算法，针对DV-Hop算法在未知节点到信标节点距离计算中的不足，在分析信标节点间估计距离与真实距离误差的基础上，提出了改进算法。

改进算法修正了网络平均每跳距离与未知节点估计坐标的区域范围。

本文模拟实现了原算法和改进算法。

仿真结果表明，在相同的网络环境下，改进算法的定位误差减小，定位精度得到明显提高。

关键词无线传感器网络距离矢量一跳段算法改进算法

ResearchonDV-HopLocalizationAlgorithmin

WirelessSensorNetworks

ABSTRACT

Wirelesssensornetwork，consistingofnumerousmicro．Sensornodes（hereinafternodes）

deployedinthemonitoringregion,isaself-organizingmulti—hopnetworksystemwhichis

formedthroughwirelesscommunication.Thenodescollaboratewitheachothertoperceive，

collectandprocesstheinformationoftheperceptionobjectinthenetworkcoverageareasand

sendittotheobserver.Thewirelesssensornetwork,accordingtoitsowncharacteristics,hasawiderangeofapplicationprospectinenvironmentalmonitoring,militaryandhigh-riskareas．

Inthewirelesssensornetwork,thenodes’locationinformationisessentialtothesensornetworkmonitoringactivity.Thepositionanincidentoccurredandthenodes’locationinformationweaccessedarecriticalinformationcontainedinthesensornodemonitoringmessageswhichwillbecomemeaninglesswithoutnodes’locationinformation．Therefore，theresearchonthenodelocationalgorithmofthewirelesssensornetworkisofgreattheoreticalandpracticalsignificance．

ThisthesisfocusesontheDV-Hop（distancevector-hop）localizationalgorithmin

WirelessSensorNetworks,toovercomethedisadvantageofDV—Hopalgorithmwhenitwasusedtocomputethedistanceofunknownnodesandbeaconnodes，workedoutanimprovedalgorithmwhichwasbasedonanalyzingtheerrorbetweenestimateddistanceandrealdistanceofbeaconnodes．Theimprovedalgorithmrevisedtheaveragedistanceofeachhopinnetworksandthearearangeofestimatedcoordinateofunknownnodes

ThisthesishassimulatedtheoriginalDV-Hopalgorithmandimprovedalgorithm.Resultsofthesimulationshowthattheimprovedalgorithmhasabetterperformancethantheoriginalalgorithminlocalizationaccuracyandlocalizationerroratthesamenetworkenvironment．

KEYWORDSWirelesssensornetworkDV-HopalgorithmImprovedalgorithm

第一章绪论

1.1课题背景及意义

无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN）就是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送给观察者。

人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。

无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、制造业、城市管理、医疗卫生、环境监测、抢险救灾、危险区域远程控制等诸多领域。

传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官被称为全球未来的三大高科技产业。

20世纪90年代末，无线传感器网络的研究开始得到关注，21世纪初，学术界，军事领域和工业领域相继开始了无线传感器网络的研究工作。

美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器网络研究中心，联合周边大学展开了“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用无线传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试和控制，支持相关基础理论的研究。

我国中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学和国防科技大学等高校在国内较早开展了无线传感器网络的研究。

在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义。

如战场侦察、生态环境监测、地震洪水火灾等现场的监控等应用中，都需要知道传感节点的位置信息，从而获知信息来源的准确位置。

确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。

无线传感器网络节点一般是随机布放的，无法事先确定节点的位置。

节点只有在布放后确定自身位置，从而为监测或感知提供正确的位置信息。

节点位置信息除了提供事件发生地点信息外还可用于目标跟踪，实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹等。

无线传感器研究和应用的不断深入使得自身定位技术必须得到解决。

全球定位系统GPS是目前应用最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是GPS定位只适用于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等，这使得它不适用于低成本自组织的传感器网络。

在机器人领域中，机器人节点的移动性和自组织等特性，使其定位技术与传感器网络的定位技术具有一定的相似性，但是机器人节点通常携带充足的能量供应和精确的测距设备，系统中机器人节点的数量很少，所以这些机器人定位算法也不适用于传感器网络。

在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位技术和定位算法提出了很高的要求。

这就需要传感器网络的自身定位算法具备以下特点：

（1）自组织性：

传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位。

（2）健壮性：

传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差、测量距离时会产生误差，算法必须具有较好的容错性。

（3）能量高效：

尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销。

以尽量延长网络的生存周期。

通信开销是传感器网络的主要能量开销。

（4）分布式计算：

每个节点计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。

[1]

1.2本文主要工作

本文对无线传感器网络进行概述，介绍了无线传感器网络的结构、特征以及关键技术，对无线传感器网络的定位问题进行了综述，介绍了节点定位的基本概念和基本算法，并给出定位算法的性能评价指标。

在各种定位算法中，着重研究学习了经典的无线传感器网络自定位算法DV-Hop算法，然后针对该DV-Hop算法提出一种改进算法。

DV-Hop定位算法不需要额外的测距或测角装置，由该算法计算的位置信息基本可以满足需求，是无线传感器网络中应用较多的一种定位算法。

在DV-Hop算法中，信标节点在广播计算所得的平均每跳距离后，未知节点把最先接收到的平均每跳距离和到信标节点的跳数的乘积作为未知节点到信标节点的距离，然后通过极大似然法估计自身位置。

由于从未知节点到信标节点的路径一般情况下都不可能是直线，所以用平均跳距与跳数乘积表示路径长度会产生较大误差。

本文改进算法是在得到全网平均每跳距离的基础上，通过分析每个信标节点的平均每跳距离误差，以进一步修正先前得到的全网平均每跳距离，使全网平均每跳距离更接近于真实的平均每跳距离，从而提高定位精度。

1.3本文的结构安排

本文分为六章，各章主要内容如下：

第一章介绍了无线传感器网络节点自定位算法的研究背景和意义，并介绍了本文的主要工作和结构安排。

第二章介绍了无线传感器网络的基本概念，如无线传感器网络结构，无线传感器网络

的特征，无线传感器网络中的关键技术。

第三章介绍了三种无线传感器网络节点定位的基本方法，定位算法中的基本术语以及定位算法的性能评价指标。

第四章该章节共分为三部分：

第一部分介绍无线传感器网络节点自定位经典算法DV-Hop算法的实现过程；第二部分介绍DV-Hop算法的优缺点；第三部分针对DV-Hop算法的不足提出了一种改进算法。

第五章简单介绍仿真所使用的软件matlab，列出用matlab仿真的实验结果，并对实验数据进行比较分析。

第六章结束语，对本文做总结。

第二章无线传感器网络概述

2.1无线传感器网络体系结构

2.1.1无线传感器网络结构

传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。

大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。

用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据【1】。

无线传感器网络结构如图2-1所示。

图2-1无线传感器网络体系结构【1】

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。

从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强。

它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之问的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备【1】。

2.1.2传感器节点结构

在不同的具体应用中，无线传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都会由传感器模块、无线通信模块、能量供应模块和处理器模块四部分组成。

如图2-2所示。

图2-2传感器节点体系结构【1】

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据信息以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池来提供能量【1】。

2.1.3传感器网络协议栈

随着无线传感器网络的深入研究，研究者提出了多个传感器节点上的协议栈。

图2-3所示的是提出的一个协议栈，这个协议栈包括了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。

另外，协议栈还包括能量管理平台，任务管理平台和移动管理平台。

这些平台使得传感器节点能够按照能源高效使用的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

各层协议和平台的功能如下【1】：

（1）物理层提供信号调制和无线收发技术。

（2）数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制和媒体访问。

（3）网络层负责路由生成和路由选择。

（4）传输层主要负责数据流的传输控制，这是保证通信服务质量的关键部

分。

（5）应用层包括了一系列基于监测任务的应用层软件。

（6）能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都要考虑

节省能量。

（7）任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

（8）移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路

由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

图2-3传感器网络协议栈【1】

图2-3传感器网络协议栈【1】

2.2无线传感器网络的特征

2.2.1与现有无线网络的区别

移动无线自组网（MobileAd-HocNetwork）是一个由几十个到上百个节点组成、采用动态组网、无线通信方式的多跳移动性对等网络。

其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。

节点通常都具有持续性的能量供给。

无线传感器网络虽然与无线自组网有很多相似之处，但是同时也存在很大的差别。

无线传感器网络是集成了无线通信、控制以及监测的网络系统，节点的数目更为庞大（数千甚至上万个），节点分布更为密集；由于环境影响和能量限制，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；在大多数情况下，节点是固定不变的。

此外，无线传感器网络节点具有的处理能力、能量、存储能力和通信能力等是十分有限的。

传统无线网络设计的首要目标是提供高服务质量和高效的带宽利用，其次才考虑节能：

而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是无线传感器网络和传统无线网络最重要的区别之一【1】。

2.2.2无线传感器节点的限制

无线传感器网络节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些实现约

束：

（1）电源能量有限

由于传感器节点的体积十分微小，所携带的电池的能量十分有限：

传感器节点个数众多，成本要求低廉，分布区域广泛，而且通常情况下部署在环境复杂，有些时候甚至部署在人员无法到达的地带，所以通过更换电池的方式来给传感器节点补充能量是不实际的。

传感器节点消耗能量的模块包括处理器模块、无线通信模块和传感器模块。

而随着集成电路工艺的发展，处理器模块和传感器模块的功耗变得很低，而绝大部分能量的消耗在无线通信模块。

图2-4是DeborallEstrin在Mobicom2002会议上的报告（WirelessSensorNetworks,partⅣ:

SensorNetwOrksProtocols）中所述传感器节点各个部分能量消耗的情况，从图中的描述可知传感器节点的无线通信模块消耗了绝大部分的能量。

传感器节点传输信息流是要比执行计算时消耗更多的电能，例如将l比特信息传输100m距离需要的能量大约可以执行3000条计算指令【1】。

图2-4无线传感器网络节点能量消耗【1】

图2-4无线传感器网络节点能量消耗【1】

无线通信模块有发送、接收、空闲和睡眠四种状态。

无线通信模块在空闲状态下一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭无线通信模块。

从图2-4中可以看到，无线通信模块在发送状态是能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量相差无几，略少于发送状态时的能量消耗，睡眠状态的能量消耗是最少的。

如何让网络通信更加有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽可能快的进入睡眠状态，是无线传感器网络协议设计需要重点考虑的问题【1】。

（2）计算能力和存储能力有限

传感器节点是种微型嵌入式设备，要求它价格低功率小，而这些限制必然导致其所携带存储器容量小，处理器能力比较弱。

所以为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换，数据的管理和处理、应答汇集节点的任务请求和节点控制等工作。

随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已开发出很多超低功耗的微处理器。

现在的处理器除了降低处理器的绝对功耗外，还支持动态频率调节和模块化供电功能。

利用这些处理器的特性，传感器节点的操作系统设计了动态电压调节（DVS）和动态能量管理模块（DPM）模块，可以更加高效地利用传感器节点的各种资源。

动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作频率和工作电压来调低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器如StrongAIW都支持电压频率调节；动态能量管理是当节点周围没有网络感兴趣的事情发生时，部分模块处于空闲状态，而把这些组件关闭或调到更低能耗的休眠状态【1】。

（3）通信能力有限

无线通信的能量消耗与通信距离的关系为式（2-1）：

式

（2-1）

其中，E为消耗的能量，d为通信距离，k为系数，参数n满足2

n的取值受很多外界因素的影响，当传感器节点部署在贴近地面时，障碍物多干扰大，n的取值就大，而且天线质量对信号发射质量的影响也很大。

考虑到诸多因素，通常将n取值3，即通信耗能与距离的三次方成正比。

随着通信距离的增加，能耗也将急剧增加。

因此在满足通信连通度的前提情况下应尽可能的减少单跳通信距离。

考虑到传感器节点的能量限制和网络的覆盖区域大，无线传感器网络采用多跳路由的传输机制。

传感器节点的无线通信带宽有限，一般只有几百kbps的速率。

由于受节点能量的变化，受建筑物、障碍物、高山等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器节点的通信性能会经常变化，可能会频繁出现信号中断的情况。

在这样的通信环境和节点有限的通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是无线传感器网络所面临的挑战【1】。

2.2.3无线传感器网络的特点

无线传感器网络是应用相关的，系统随着应用的不同在软硬件和网