【摘要】：隨著無線通信技術的快速發(fā)展和物聯(lián)網時代的到來,無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)近年來受到了工業(yè)界和學術界的廣泛關注。無線傳感器網絡能夠有效感知、收集所監(jiān)測環(huán)境信息,因此廣泛應用于室內外環(huán)境監(jiān)測、目標定位與跟蹤等各類監(jiān)測應用中。在無線傳感器網絡的諸多應用中,由目標定位技術衍生的位置服務成為了當前最具發(fā)展?jié)摿Φ幕ヂ?lián)網業(yè)務,因而受到了研究者廣泛而持續(xù)的關注。因此,研究無線傳感器網絡目標定位技術具有重要意義,將對人類生活產生深遠影響。在無線傳感器網絡目標定位技術中,由于設備無關的定位技術無需待定位目標攜帶任何無線設備,因而其應用場景更加廣泛,受到了研究者的青睞。盡管國內外在設備無關目標定位方面已取得了諸多進展和重要成果,然而在一些實際應用場景中現(xiàn)有方法還面臨以下挑戰(zhàn)：首先,現(xiàn)有的設備無關目標定位方法應用于大規(guī)模監(jiān)測中將面臨部署代價大、人力成本高的問題;其次,現(xiàn)有的設備無關定位方法在追求高精度的同時忽略了定位方法的普適性和魯棒性；再次,由于定位場景普遍存在復雜的帶狀網絡結構特點,使得現(xiàn)有的定位應用中數(shù)據(jù)傳輸面臨可靠性差、能耗高、延遲大等挑戰(zhàn),進而導致定位精度下降、系統(tǒng)運行周期較短、定位響應延遲大等問題。因此,研究更為普適的無線傳感網低代價高可靠魯棒性的設備無關定位具有很大意義和實用價值。本文分別從定位系統(tǒng)中目標定位方法自身和定位數(shù)據(jù)傳輸技術兩個方面出發(fā),以低部署代價、低人力代價、高定位精度、高可靠、魯棒性定位為目標,提出一套從定位支撐技術到定位應用的具有普適性的無線傳感器網絡低代價高可靠魯棒性的設備無關定位技術。本文的主要創(chuàng)新研究工作如下：(1)針對基于指紋的設備無關定位方法中部署代價高的問題,提出基于網格劃分與分類估計的低部署代價定位方法。通過將一條鏈路覆蓋區(qū)域劃分為不同的網格,研究目標處于該鏈路不同位置的接收信號強度信息(Received Signal Strength, RSS)的波動特性,進而提出針對單鏈路的細粒度指紋信息,大大降低了參考節(jié)點的部署代價;建立由三條鏈路構成的三角RSS指紋,從而在降低部署代價的同時保證了定位精度；通過所建立的細粒度指紋信息,分別采用貝葉斯定理等學習方法,建立目標位置估計模型。大量實驗表明,該方法較已有的基于指紋的定位方法在降低部署代價的同時實現(xiàn)了較高的定位精度,具有較強的實用價值。(2)針對基于模型的設備無關定位方法中普適性和魯棒性差的問題,提出了基于鏈路RSS模型的低代價魯棒性投票定位方法。根據(jù)目標對無線鏈路衍射、反射以及環(huán)境中的多徑影響,提出了一種適用于室內外不同場景下的鏈路RSS定位模型,以提高定位方法的普適性�，F(xiàn)有的基于RSS的定位方法以密集部署獲取較高定位精度,與之相反,我們根據(jù)所提出的鏈路RSS模型提取單鏈路的細粒度RSS分布特性,有效降低了定位的部署代價和人力代價；在此模型基礎上,提出了多鏈路投票定位方法以保證定位精度和對環(huán)境噪聲的魯棒性。最后通過大量實驗驗證和對比,評估了所提出定位方法的有效性。(3)針對定位場景中普遍存在的復雜帶狀網絡結構而導致數(shù)據(jù)傳輸丟包率增大的問題,提出了一種適用于帶狀網絡的可靠機會路由方法。根據(jù)光路傳播特性,提出基于虛擬平面鏡反射的轉發(fā)候選集方法,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х较?解決了現(xiàn)有候選集選擇方法在復雜帶狀結構中出現(xiàn)的候選集選擇失效問題；在此基礎上,建立合適的傳輸角度,確定數(shù)據(jù)的有效傳輸方向,使得數(shù)據(jù)通信僅在有效夾角內進行,從而減小通信開銷和節(jié)點能耗；采用滲流理論分析,建立候選集選擇過程中參數(shù)的理論上下界,以提高數(shù)據(jù)傳輸成功率、減小能耗,保證定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�。通過實驗驗證,所提出的機會路由方法可以有效提高復雜帶狀網絡中數(shù)據(jù)傳輸成功率,減小能耗,從而為定位應用提供可靠保證。(4)針對定位數(shù)據(jù)產生頻率高、數(shù)據(jù)量大、準確度要求高的特點,傳統(tǒng)基于地理位置的機會路由面臨可靠性差、丟包高、能耗大、延遲大等問題,提出適用于定位數(shù)據(jù)的可靠數(shù)據(jù)傳輸控制方法。在選擇轉發(fā)節(jié)點上,提出綜合考慮節(jié)點距離和剩余能量作為轉發(fā)節(jié)點優(yōu)先級的判定標準,從而降低能耗、平衡網絡負載,為定位系統(tǒng)長期運行提供保證；提出采用基于虛擬平面鏡的機會路由算法對傳輸角度進行控制,將復雜轉彎結構映射為簡單的線性拓撲,從而降低了定位數(shù)據(jù)傳輸丟包率,實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)高效可靠的傳輸,提高定位應用的可靠性；提出充分考慮網絡結構,根據(jù)傳輸角度保證候選節(jié)點處于有效傳輸方向上的傳輸控制方法,從而保證了從源節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑,因此,有效減少了傳輸時延,保證了定位響應的時效性,為定位應用提供可靠支撐。
【圖文】：

１．３．１xO究思路逡逑本文主要研巧無線傳感器網絡低代價高可靠設備無關定位應用的相關技術，具體的逡逑研究思路及其相應的研究內容如圖１－２所示。其中，第一章為本文的研究背景１＾＾及相關逡逑領域研究現(xiàn)狀的分析與介紹，第六章為對全文的總結Ｗ及今后研究工作的展望。全文的逡逑主體研究工作主要分為Ｗ下蘭個部分：基于信號指紋的定位技術、基于信號模型的定位逡逑技術Ｗ及定位數(shù)據(jù)傳輸技術。在第二章和第Ｈ章中，分別研巧基于信號指紋的定位技術逡逑和基于信號模型的定位技術。在此基礎上，本文第四章針對定位場景中普遍存在的復雜逡逑帶狀網絡結構，提出了一種適用于復雜帶狀網絡的基于地理位置的機會路由算法，從而逡逑有效降低在復雜帶狀網絡結構下的傳輸丟包率。最后，在第四章復雜帶狀網絡中的機會逡逑路由算法基礎上，結合定位數(shù)據(jù)傳輸高可靠、低能耗、低延遲的要求，提出了一種適用逡逑于定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斂刂品椒�，為定位應用提供可靠的�?shù)據(jù)保證。同時，為本文第二逡逑章和第Ｈ章所提出的定位方法提供定位所需的ＲＳＳ數(shù)據(jù)

在基于ＲＳＳ指紋的定位方法中，其定位精度取決于所部署參考節(jié)點的密度Ｗ逡逑及相鄰節(jié)點之間的距離。通常，節(jié)點的部署密度越高，定位的精度就越高。事實上，為逡逑了達到較高的定位精度，，一個標準的方法就是增加節(jié)點的部署密度。如圖２－１所示，為逡逑節(jié)點部署密度和定位精度之間的關系，從圖中可Ｗ清楚的看出，對于一個給定大小的監(jiān)逡逑測區(qū)域，節(jié)點陣列中部署的節(jié)點越多，為定位所能提供的分辨率也就越高。由多條受到逡逑目標影響的鏈路所覆蓋的疊加區(qū)域可Ｗ作為目標的估計位置。顯然，所形成的疊加區(qū)域逡逑越小，定位精度就越高。然而，要形成較小的疊加區(qū)域，則需要密集的節(jié)點部署，這對逡逑于實際的定位應用，尤其是較大規(guī)模的場景來說是不現(xiàn)實的。逡逑然而，在實際應用中，密集的部署將會帶來大量的設備開銷，尤其是在較大監(jiān)測場逡逑景中更為明顯。此外，大量節(jié)點也會增加網絡中的通信開銷，當多個節(jié)點在同一時刻發(fā)逡逑２１逡逑
【學位授予單位】：西北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：2546071