1、本 科 毕 业 设 计 (论 文 )开题报告(含文献综述)学 院: 信息科学与工程学院 所属教研室: 通信教研室 课 题 名 称 :基于测距的无线传感器网络节点定位算法的研究 专业(方向): 通信工程 班 级: 12-1 学号:3120731123学 生: 邓华龙 指 导 教 师 : 刘 伟、李 新 职 称: 未评定、副教授 开 题 日 期 : 2016.3.5 一、毕业设计(论文)选题的目的和意义。 题目名称; 有关的选题的背景和发展情况分析; 前人在本选题领域中的工作成果简述(1)课题:基于测距的无线传感器网络节点定位算法的研究(2)选题背景及发展情况:随着微机电技术以及数字芯片、无线通信
2、技术的发展,设计小巧、低成本、低功耗的传感器节点成为可能,这些传感器节点可以在不同的环境中部署,适应不同的用途。无线传感网络在自身的路由选择或者一些应用,如对特定区域的温度、压力进行监测等需要知道自身的位置信息,所以定位是无线传感器网络应用的基础和关键技术之一。在一些信道不好的环境中,测量误差较大,无线传感器网络可以通过协作定位来提高精确度,其协作定位特点在这些应用中有很大的发展空间。例如在商业应用中的定位追踪仓库中货物的需要,在工厂有定位材料和设备的需要,在家中有护理老人的需要,在医院有定位医疗设备的需要,在住宅有定位日常物品的需要。在公共安全和军事领域,室内定位系统需要追踪监狱中的犯人,需
3、要引导警察,消防队员和士兵完成他们在建筑物内的任务。综上所述,节点定位在无线传感器网络的应用中扮演了一个非常重要的角色。通过移动无线电对目标进行定位技术起源于第二次世界大战期间,当时是为了满足紧急情况下士兵对定位的要求。二十年后,在越南战争期间,美国国防部发射了一系列用于全球定位系统(GPS)卫星。后来 GPS 逐渐开放民用,但是 GPS 的定位受障碍物和多径效应影响较大,在城市和室内定位精度较低。1996 年,美国联邦通信委员会(FCC)规定,无线运营服务服务商必须提供紧急情况下移动手机定位服务。紧急服务在美国称为 E-911,之后出现了工作在 ISM 频段的无线局域网,在该产业中,FCC
4、强制将 E-911 服务上升为无限地理定位的工业标准。随后,各种定位技术都在发展,以满足 E-91 手册规定,这些技术有 GPS 辅助定位技术、基于时间到达的定位技术(TOA),基于到达角度的定位技术(AOA),基于接收信号强度的定位技术。90 年代末,与 E-911 技术几乎同时出现的室内精确定位系统开始独立发展,该技术受室内定位传感的各种商业应用,公共安全,军事需求的前景所激发,发展很快。最近,传感定位在无线网络中得到了应用,例如基于位置切换、基于位置的 ad-hoc 网络路由、基于位置的授信和安全机制。这些需求和应用促进了对传播环境的建模、评估有不同传感技术的定位精度等研发的兴趣,此外,
5、还促进了传统定位技术在系统中的发展。最终,测距和定位技术自身的发展使得它们可以整合到无线传感器网络中。(3)前人的工作成果:在不同环境下采用射频定位的传感器节点可用 RSSI,AOA,POA(到达相位),TOA 等多种测距技术,节点所部署的环境将会影响每种技术的精度和性能。在室外环境中,这些测距技术性能都较好,都有较高的精度。然而,当无线通信介质变得复杂时,例如在高楼密布的都市和室内环境中,信道会有非常严重的多径效应和阴影衰落,这种现象会影响节点对间测距估计的精度和性能。可以预见,许多无线传感网络将会在崎岖不平的地带和杂乱的环境中应用。了解这种环境下信道对测距定位的影响有非常重要的意义。由于在
6、室内和城市区域使用 POA 和 AOA 技术测距不现实,所以我们主要关注TOA,RSSI 两种实用的测距技术。这两种技术一直是无线网络中传统的测距技术,在无线传感器网络中有很大的发展潜力。TOA 测距技术适合于精度要求较高的室内定位,它只需要很少的参考节点,并且不需要事先训练,但是该技术硬件比较复杂,测距精度受多径效应和系统宽带的影响较大,一直在 GPS、PinPoint、WearNet、IEEE 802.15.3 等协议中使用。基于 RSSI 的测距技术,使用较简单,但对于多径效应和系统带宽较敏感,他不需要同步措施就可以在任何已知的无线系统中使用。如果要提高 RSSI 测距的精度,需要较多的
7、锚节点或者参考节点,需要事先通过实验得到信道参数,还需要复杂的计算,该技术已经在Ekanhau、Newbury Netwoks、PanGo 和 Skyhook 等以及 WIFI 定位系统中使用。二、设计或论文主要内容和重点,预期达到的目标及拟解决的主要问题和解决问题的思路。(此部分为重点阐述内容)查阅大量相关资料,了解无线传感器网络节点定位的原理,熟悉接收信号强度指示(RSSI)、到达时间(TOA)、到达时间不同(TDOA)等常见的测距方法及其优缺点,熟练掌握三边定位方法、最大似然方法等常见的基于测距的定位方法,熟练掌握Matlab 语言。使用 Matlab 软件仿真对比不同条件下(例如:测距
8、方法不同、锚节点数量不同、通信半径不同),各种基于测距的定位方法的平均定位误差,并对仿真结果进行分析。无线传感器节点定位面临两大部分的挑战:网络部分和无线射频信道部分。网络部分:定位一般局限于网络规模(节点和锚节点的数量),拓扑结构和网络连接度。高密度节点的网络比稀疏密度节点网络的定位性能可以高出很多,而且在稀疏密度节点中,由于节点的连通性不高,节点的连通比较有困难,可能存在孤立点。然而随着密度的增加,从一跳到下一跳的累计传播误差又在增加。无线射频信道部分:协作定位能否实现取决于射频测试技术和网络的分布环境。TOA 测距精度较高,RSSI 使用最多,但精度低。不同环境,技术表现效果也会不一样。
9、室内区域,节点面临严重的多径衰落和恶劣的射频环境传播。通过 Matlab 软件的仿真,在不同条件下,仿真各种方法的性能,并对仿真结果进行分析。三、设计或论文方案: 技术方案(有关方法、技术路线、技术措施); 实施方案所需的条件(技术条件、试验条件等)(1)用 Matlab 软件仿真对比各种基于测距的定位方法的平均定位误差,并对仿真结果进行对比分析。过程如下:构建网络拓扑结果; 1设定锚节点; 2测量各节点之间的距离; 3获得节点间的邻居关系; 4对各未知节点进行定位; 5计算平均定位误差; 6分析仿真结果。 7(2)学习无线传感网络的特点,节点定位的相关知识,学习 Matlab 软件的使用。四
10、、主要参考文献目录1张杰 唐洪 雷洋 詹杰 王峰 王海龙.无线传感器网络M.北京:国防工业出版社,2014.92周文红 黄巍 严学纯 梁朝军.定位技术解问M.北京:人民邮电出版社,2014.123赵相鹏.无线传感器网络中基于测距的节点定位算法研究D4孙利民 李建中 陈渝.朱红松.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,20055赵仕俊 唐懿芳. 无线传感器网络M.北京:科学出版社,2013.56蒋 珉,MATLAB 程序设计级应用M.北京:邮电大学出版社,2010.37陈怀琛 吴大正 高西全.MATLAB 及在电子信息课程中的应用M.北京:电子工业出版社,2004.58王福豹 史龙 任丰原.无
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12、f Electonics Engineers lnc,200311Akos Ledeczi, Gergely Kiss,Bela Feher, etal.Acoustic Source Localization Fusing Sparse Direction of Arrival Estimates J.Intelligent Solutions in Embedded Systems,2006.612Wenping Chen. Cooperative Limiting Localization Schemes for Wireless Sensor Networks J.Innovative Computing, Information and Control,2006.8五、毕业设计(论文)工作进度计划。(必须包含一定工作量的计算机知识综合应用环节)1-2 周:学习无线传感器网络的相关知识3 周:学习使用 matlab 软件4 周:学习测距定位算法5-6 周:进行 matlab 仿真7 周:完成论文撰写六、指导教师审核意见指导教师签字:年 月 日七、开题答辩结论和审核意见教研室主任签字:年 月 日