摘 要

通信技术与微电子技术的发展，使得无线传感器网络获得了大规模的应用。在无线传感器网络的应用中，确定网络中每个节点的地理位置非常重要。由于成本的原因，给网络中每个节点配备GPS定位装置是非常不现实的。对于大多数的无线传感器网络应用，定位精度要求并不高。因此，相较于成本较高、定位精度较高的测距定位方法，目前的研究大多集中在成本更低的非测距定位算法上。

本文介绍了几种典型的非测距定位算法：质心定位算法、DV-hop（路由矢量跳数）定位算法、APIT（三角区域覆盖测试）定位算法和MDS-MAP（多维标度）定位算法。这几种定位算法各有各的特点，有的基于节点的连通性来实现定位，有的基于区域估计来实现定位。本文通过仿真来对比、评价这些算法的性能。从仿真结果来看，没有十全十美的定位算法，定位算法的选择需要在部署成本、算法复杂度、定位精度和部署环境等多个因素之间综合权衡。

关键字：无线传感器网络，节点定位，非测距定位

Abstract

With the development of communication technology and microelectronic technology, wireless sensor networks have been widely used. In wireless sensor networks, it is necessary to determine the geographical location of each node. It is very impractical to assign GPS positioning device to each node in the network due to cost. For most of wireless sensor network applications, the demand of positioning accuracy is not high. Therefore, compared to the high cost and high positioning accuracy positioning method, most people are studying the range-free location algorithms.

In this thesis, we introduce several range-based localization algorithms: Centroid, DV-hop, APIT, MAS-MAP. From the results of simulation, Each of these localization algorithms has its own characteristics, some of which are based on connectivity of nodes, and some locate on the basis of region estimation. The focus of this thesis is to evaluate the performance of these algorithms through experimental simulation results. There is no perfect positioning algorithm. We need to balance between deployment costs, positioning accuracy and usage scenarios.

Key Words：WSN, node position, range-free localization

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意义 1

1.3论文的结构安排 2

第2章 无线传感器网络概述与节点定位基础 3

2.1无线传感器网络概述 3

2.2无线传感器网络的节点定位 3

2.3计算节点位置的基本方法 4

2.3.1 三边测量法 4

2.3.2 极大似然估计法 5

第3章 典型的节点定位算法 7

3.1 RSSI节点定位算法 7

3.1.1 RSSI算法的原理 7

3.1.2 RSSI算法的实现过程 8

3.1.3 RSSI算法仿真 8

3.1.4 RSSI定位算法分析 10

3.2 质心定位算法 10

3.2.1 质心定位算法的基本原理 10

3.2.2 质心定位算法仿真 11

3.2.3 质心定位算法分析 12

3.3 DV-hop节点定位算法 12

3.3.1 DV-hop定位算法的基本原理 12

3.3.2 DV-hop定位算法仿真 13

3.3.3 DV-hop定位算法分析 15

3.4 APIT节点定位算法 15

3.4.1 APIT节点定位算法的基本原理 15

3.4.2 APIT算法的实现过程 18

3.4.3 APIT算法的仿真 19

3.4.4 APIT 定位算法分析 20

3.5 MDS-MAP节点定位算法 21

3.5.1 MDS-MAP定位算法原理 21

3.5.2 MDS-MAP算法的实现过程 22

3.5.3 MDS-MAP定位算法仿真 23

3.5.4 MDS-MAP定位算法分析 23

第4章 各算法的对比评价 25

4.1 改变节点规模 25

4.2 改变锚节点数量 26

4.3改变部署区域的形状 27

4.4 GPS误差 30

4.5分析与小结 31

第5章 总结与展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1研究背景

微电子技术和通信技术的发展使得传感器器件的成本大大下降，于是在世纪初诞生了一种新型的测控网络——无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）^[1]。无线传感器网络是在一片区域部署大量传感器节点，节点利用协同工作的方式来检测或控制它们周围的环境。一般来说，无线传感器网络中的这些节点包含传感器接口，计算处理单元，发射、接收无线电单元和能源供给单元。整个网络中所有节点通过无线通信的方式进行连接，无线传感器网络没有或者只需要很少的基础设施就可以实现组网，可以说无线传感器网络的部署非常便捷^[2]。

无线传感器网络具有的传感、监控和控制功能，使得WSN在很多领域有着广泛的应用。近些年来，美国军方正在积极研究和推进FCS（Future Combat Systems）系统，无线传感器网络技术是它的核心支撑技术之一。在WSN中，节点低成本、随机分布的特点使得某个节点的损坏不会对系统功能造成重大影响，基于这一点，无线传感器网络非常适合部署在恶劣的战场环境中。目前，无线传感器网络早已不仅仅局限于军事应用，在环境应用上，无线传感器网络中部署的节点可以监控与检测空气污染指数、大气压、温度、湿度等环境指标，当空气中的污染物达到了我们节点设置的阈值就会触发警报；节点还可以检测森林中温度、湿度发生的剧烈变化，触发火灾预警；美国研制了用于水利监测的ALERT系统，研究人员部署了检测降雨量、水位高度等环境条件的传感器，这些密集部署的传感器节点可以及时向中央数据库反馈水利信息。在医疗应用领域，我们可以在人体放置大量的微小传感器器件，器件可以实时监测人体的生理信息，这在临床医学领域已经是一种重要的医疗辅助手段。

1.2研究目的及意义

为了实现无线传感器网络的测控功能，几乎所有的WSN应用都需要获知节点的位置，不知道节点的位置，得到的监测信息没有一点价值^[3][4]。例如，在军事应用中，战场侦察后反馈信息时，地理位置是重中之重，指挥部基于有效的地理位置信息才能采取进一步的措施。在环境监测领域，火灾预警告知灾情的具体发生位置才能消灭险情。水利检测时，节点收集了大量的水利信息，结合这些信息的发生位置，人们才能整合所有信息做出正确的判断。总而言之，知道网络中节点的物理位置是实现无线传感器网络传感、检测和控制等功能的关键一步^[5]。

1.3论文的结构安排

在第一章中，我们主要介绍论文的研究背景及研究意义。

第二章主要介绍了无线传感器网络中的基本概念、基本术语和节点定位的基本数学知识，这是所有定位算法的基础。