基于局部拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究和應(yīng)用.pdf

1、基于信號強度指示(RSSI)的傳感器定位技術(shù)通過分析節(jié)點接收到的信號強度來定位其物理地址。因該技術(shù)相對基于到達時間差(TOA)和基于到達角度(AOA)等定位技術(shù)無需額外的硬件設(shè)備而受到廣泛的關(guān)注。然而由于環(huán)境、障礙物、攻擊等因素，基于RSSI技術(shù)的定位精度相當不穩(wěn)定，這促發(fā)了眾多改進算法的提出。盡管這些算法不同程度地提高了定位精度，但因沒有充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)本身的拓撲結(jié)構(gòu)信息與信號空間的特性，導(dǎo)致定位算法對網(wǎng)絡(luò)特定先驗知識

2、利用的不足，精度難以得到進一步提高。尤其是在復(fù)雜或不可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的定位問題目前更是一個挑戰(zhàn)。本文針對上述諸問題，通過如何充分利用WSN的信號和物理空間的局部拓撲結(jié)構(gòu)信息進行了較深入的定位技術(shù)研究，并取得了如下主要成果：
　　 (1)通過理論和實驗相結(jié)合的分析，首次嘗試驗證了WSN中傳感器節(jié)點所接收到的信號強度和(物理/空間)位置數(shù)據(jù)(或坐標)都具有(局部)流形特性；因而通過借鑒現(xiàn)有流形學(xué)習(xí)方法中關(guān)于局部幾何的刻畫方法實現(xiàn)了對W

3、SN信號空間和物理空間的拓撲結(jié)構(gòu)表示，并確定了采用典型相關(guān)性分析(CCA)作為理論基礎(chǔ)的建模方法。受此啟發(fā)，利用我們已提出的局部保持的典型相關(guān)性分析(LPCCA)進行WSN的定位問題研究，并給出了基于該方法的位置估計(定位)算法(LE-LPCCA)。
　　 (2)通過用含有局部結(jié)構(gòu)信息的加權(quán)數(shù)據(jù)均值，來代替CCA中不含局部結(jié)構(gòu)的全局樣本均值，進而設(shè)計出一種全新的流形CCA模型--局部相關(guān)性分析(LCA)。其建模思想使LCA在求解

4、問題過程中，一方面能以LPCCA同樣有效的方式建立信號空間與物理空間之間的映射，另一方面，能彌補其存在的不可拓展性，從而為在復(fù)雜和不可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的定位提供了建模手段。
　　 (3)首次嘗試了專門針對易產(chǎn)生不配對數(shù)據(jù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進行定位研究。在現(xiàn)有眾多基于RSSI技術(shù)的WSN定位中，定位映射建立的前提是信號強度與物理地址應(yīng)完全配對，但現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)無法保證這種較理想的完整性，特別是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境常導(dǎo)致信號強度或?qū)?yīng)物理地址的缺損或

5、失配，導(dǎo)致現(xiàn)有相關(guān)方法(包括LPCCA和LCA)失效。針對此問題，研究了如何擴展LCA模型，由此提出了一種適用該種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建模方法，即半配對的LCA(PPLCA)模型。
　　 (4)針對不可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)可能被(惡意)篡改的情況，通過分析正常數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)的密度特性及幾何分布，進而在LPCCA模型基礎(chǔ)上，利用節(jié)點的相對全局密度信息，構(gòu)建出了錯誤容忍的魯棒定位模型LPCCA(RLPCCA)。進一步，在LCA模型基礎(chǔ)上，提出了另

6、一種稱為錯誤容忍的LCA(FTLCA)定位模型。相比于RLPCCA模型，F(xiàn)TLCA模型聯(lián)合利用了網(wǎng)絡(luò)的全局結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)信息。與同類算法相比，由RLPCCA和FTLCA模型構(gòu)造的定位算法不僅避免了因使用較復(fù)雜檢測及攔截等手段而增加WSN能量開銷的缺點，而且還保證了較高的定位精度。
　　 (5)現(xiàn)有的安全定位算法僅限于對一種或一類攻擊，但當網(wǎng)絡(luò)中同時出現(xiàn)多種(類)攻擊時，它們則難以取得較好的結(jié)果。針對可能存在多種(多類)攻擊的不安