論環(huán)境不確定因素對傳感器網(wǎng)絡定位機制的影響及其克服方法.pdf

1、傳感器網(wǎng)絡技術自二十世紀七十年代被提出以來一直受到研究領域的關注，與之相關的新技術層出不窮。盡管在微型制造、嵌入式處理器以及低功耗無線通信等領域發(fā)生了巨大的革新和進步，傳感器網(wǎng)絡技術應用的腳步卻始終停滯不前，與同時代提出的因特網(wǎng)技術相比，傳感器網(wǎng)絡技術仍然停留在實驗室中。造成這一困境的因素中，節(jié)點定位技術始終扮演著明顯的短板。傳感器網(wǎng)絡中往往使用位置信息對節(jié)點間交互的數(shù)據(jù)進行標識，而節(jié)點部署的隨機性使得節(jié)點無法預先獲取其位置信息。為解決

2、這一問題，已有大量的節(jié)點定位方法被提出；這些方法使用了多種不同的機制并在其各自的仿真環(huán)境中獲得了準確的定位結(jié)果。然而，這些方法在實際應用環(huán)境中卻都顯示出較大的誤差，究其原因，這些方法均使用了各種與實際脫節(jié)的理論模型，例如單位圓通信模型、節(jié)點間精確測距模型、節(jié)點均勻分布模型以及測量誤差正態(tài)分布模型等等。離開這些“理想模型”的支撐，現(xiàn)有的各種定位方法均無法進行理論分析。針對這一困境，本論文從分析各種理想模型與實際應用環(huán)境之間存在的沖突入手，

3、擺脫對各種“理想模型”的依賴，尋找建立實用的節(jié)點定位方法。論文的主要工作和貢獻包括：
　　 (1)分析了現(xiàn)有的各種傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位方法，對其中使用的理想模型在實際應用環(huán)境中存在的弊端進行了總結(jié),并運用測量及測量不確定性對定位方法中的各種機制與環(huán)境因素之間的交互進行統(tǒng)一描述。定義和描述不確定性有助于擺脫對原有的各種確定性理想模型的依賴，從而正確地反映出傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點間的測量和交互行為在受到環(huán)境因素影響之后的特征。在此基礎上，分

4、析了現(xiàn)有各種方法在實際應用環(huán)境中可能存在的誤差，結(jié)論與實驗結(jié)果相符。
　　 (2)給出了測量不確定性的定義、量化方法、獲取手段以及在大規(guī)模分布式系統(tǒng)中所具有的性質(zhì)，獲得了兩個重要的結(jié)論：測量不確定性與測量分辨率的反比關系以及確定性傳遞特性。前者是指在環(huán)境不確定因素影響下進行的測量，精度要求越高則測量結(jié)果不確定性越高；后者是指由若干個測量所組成的間接測量中，若存在某一個測量具有不確定性，則整個測量存在不確定性。前一結(jié)論可用于解釋現(xiàn)

5、有實驗工作中所發(fā)現(xiàn)的各種定位方法精度趨同的現(xiàn)象，同時也為分布式系統(tǒng)中獲取高確定性信息的方法提供了線索。后一結(jié)論則可用于解釋現(xiàn)有實驗工作中所發(fā)現(xiàn)的節(jié)點定位誤差非線性累積現(xiàn)象。論文進一步提出了傳感器網(wǎng)絡中在測量不確定性及誤差方面所具有的測量同構性。
　　 (3)針對傳感器網(wǎng)絡所具有的測量同構性，提出了基于“拐點”的測量同構性判定方法。該方法遵循測量不確定性與測量分辨率的反比關系，利用局部網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)具有高確定性且易于獲取的相鄰節(jié)點間連

6、接信息判斷網(wǎng)絡節(jié)點部署所具有的特征，對節(jié)點間距離測量所受的影響進行評估，判定節(jié)點間路徑的形態(tài)特征及彎曲程度。論文進一步提出了基于路徑相似度和基于路徑彎曲角度的兩種節(jié)點間距離測量非線性修正方法，并對使用條件進行了分析。與現(xiàn)有的線性修正方法相比，由于通過拐點消除了節(jié)點間路徑形態(tài)的不確定性，所提出的方法可以有效降低傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點間距離測量的誤差非線性累積。仿真結(jié)果顯示，該方法可大幅度降低復雜部署環(huán)境下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間距離測量誤差，進而提高節(jié)

7、點定位準確性。
　　 (4)無論是測量同構性還是節(jié)點間路徑的形態(tài)都是網(wǎng)絡節(jié)點部署以及測量在外界環(huán)境影響下所具有特征的外在表現(xiàn)。針對這種外在表現(xiàn)與網(wǎng)絡節(jié)點部署和測量方面的內(nèi)在特征之間的關系，論文分別給出了傳感器網(wǎng)絡整體結(jié)構描述和獲取方法以及基于網(wǎng)絡整體結(jié)構的信標節(jié)點部署方法。前者可對傳感器網(wǎng)絡自身對測量不確定性的判定所能提供的信息量進行客觀的評價。后者則可以更加有效地利用信標節(jié)點所提供的確定性信息。通過與真實實驗相同設定下的仿真實