无线纳米传感器网络中跳数统计的定位算法研究
近几年，随着无线通信、射频识别等技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）作为其中一项重要技术，受到了越来越多来自国内外学术界、产业界的关注。无线传感器网络涉及信息处理各方面学科知识，在国家安全，监控，军事、医疗保健、环境监测等领域展现出极大的应用价值。目前，无线传感器网络技术已经较为成熟，科学家开始将目光转向无线纳米传感器网络（WNSNs）这一新颖的技术领域。纳米技术可以在生物、医学、军事和工业方面提供更广阔的应用。作为无线传感器网络的一个基本问题，节点的定位可以帮助找到事件发生的位置，其定位的精度、时延，能耗直接影响了整个网络的生命周期和工作人员对检测区域事件的分析。定位的前提是测距，本文针对无线纳米传感器网络，在目前已有测距算法FBHC的基础上，根据其独有的通信方式和结构特点，提出了改进算法FBHC和PBHC，主要实现了节点之间距离的估算，前者在原有算法的基础上引入簇的概念，减少能耗与时延，后者根据纳米无线传感器网络通过脉冲进行信息编码的特点，通过对节点接收到的脉冲大小分析进行距离的估算，提高算法测距的精度。由于在不同算法中，不同的参数对算法的性能的影响是有区别的，且性能最优的定位算法对整个系统的性能起着重要的作用，因此，本文通过大量MATLAB仿真实验，在改变未知节点密度的情况下，分别对算法的精度、节点剩余能量和时延进行了比较。同时，通过三边定位的方法，与传统传感器网络中最基本DV-Hop算法进行了定位比较，从而评判出算法的性能优劣。
目录
摘要 I
Abstract II
目录 IV
第1章绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 3
1.2.2 国外研究现状 3
1.3 本文研究内容 4
1.4 本文组织结构 4
第2章 本文关键技术 6
2.1 仿真工具及语言简介 6
2.2 传统传感器定位算法 7
2.3 DVHop定位算法 7
2.3.1 DVHop定位算法步骤 7
2.3.2 DVHop定位算法特点 9
2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
.4 三边定位算法 9
2.5 极大似然法 10
2.6 最小二乘法 10
2.7 本章小结 11
第3章 无线纳米传感器网络研究 12
3.1 纳米材料 12
3.1.1 石墨烯 12
3.2 纳米传感器通信方式 13
3.2.1 分子通信 13
3.2.2 纳米电磁通信 13
3.3 纳米传感器设备架构 13
3.3.1 传感装置 14
3.3.2 制动单元 15
3.3.3 动力装置 15
3.3.4 处理单元 16
3.3.5 存储单元 16
3.3.6 通信单元 17
3.4 电磁通信工作频段与编码 17
3.4.1 无线纳米传感器网络工作频率 17
3.4.2 信息编码和调制 17
3.5 纳米传感器网络应用 19
3.5.1 生物应用 19
3.5.2 环境应用 20
3.5.3工业和消费品应用 20
3.5.4 军事国防应用 21
3.6 本章小结 22
第4章 无线纳米传感器定位算法研究现状 23
4.1 基于跳数统计的定位算法FBHC的分析 23
4.1.1 基于跳数统计的定位算法FBHC原理及步骤 23
4.1.2 FBHC算法伪代码实现 24
4.1.3 FBHC算法性能评价分析 26
4.2 CBHC定位算法原理及步骤 26
4.2.1 CBHC算法伪代码实现 27
4.2.2 CBHC性能与优点 29
4.3 PBHC定位算法原理及步骤 29
4.3.1 PBHC算法可行性分析 30
4.3.2 PBHC定位算法设计 31
4.3.3 PBHC算法的伪代码实现 32
4.3.4 PBHC算法性能评价分析 33
4.4 本章小结 33
第5章 仿真实验与分析 34
5.1 算法性能评价指标 34
5.2 测距仿真 35
5.2.1 实验环境搭建 35
5.2.2 节点密度对测距准确度的影响 35
5.2.3 节点密度对耗能的影响 37
5.2.4 节点密度对平均时延的影响 38
5.3 定位仿真 39
5.3.1 实验环境搭建 39
5.3.2 节点个数对定位误差的影响 39
5.3.3 锚节点密度对定位误差的影响 40
5.4 对比结论 41
5.5 本章小结 42
第6章 总结与展望 43
6.1 总结 43
6.2 展望 43
第1章绪论
1.1 课题研究背景和意义
科技迅猛发展的同时，纳米技术也在不断进步，自从物理学家查德费曼在1959年所作《在底部还有很大空间》这一演讲并且获得诺贝尔奖之后，纳米技术得到了空前的关注，纳米技术（nanotechnology）这一名词在15年后的1974才被第一次定义[1]。也是自此，不断有纳米级的设备（1~几百纳米）被制造来应用到不同的领域，尤其是在生物、工业、军事以及食品安全等方面。纳米技术改变了解决问题的传统思维方式。 在纳米级的范围中，新型的纳米材料和纳米粒子表现出在微观水平没有过的新的特点。纳米技术的目的不仅仅是发展超小型化的传统设备，而是设计出纳米设备并利用纳米材料的特性实现新的功能，开拓新的应用领域。
当今是一个物联网时代，一个互联网技术延伸至实体世界的时代，无线射频（RFID）、无线传感器网络等技术的发展[31,32]让物联网得以实现。纳米技术最早的应用之一是在纳米传感器领域。一个纳米传感器可以利用纳米材料的特点探测到纳米范围的事件，例如，一个极其微小的的纳米传感器可以检测到的化学化合物、病毒或者感染剂浓度可以低至十亿分之一，这在生物、化学领域的应用前景是不可估量的。然而，单个的纳米传感器即使可以检测到精确的数据，却也局限于它的应用环境和通信范围，因此，多个纳米传感器之间的通信可以在复杂性和通信范围方面拓展单个纳米传感器的价值。一个包含了多个纳米传感器的网络可以覆盖更大区域的通信并且可以执行其他的处理动作。除此之外，现有的一些纳米范围的传感技术需要有外部的激励和测量设备来完成整个操作，纳米设备与微观（micro）和宏观(macro)设备之间的无线通信也就是无线纳米传感器网络（WNSN）解决了这一瓶颈。在这样一个物理技术与互联网技术平行发展的背景之中，又基于传统无线传感器网络的研究与应用逐步成熟的前提，已有一部分科学家将注意力放在了纳米无线传感器网络（WNSN）上，企图挖掘其在微观以下范围的价值这就形成了我们研究的无线纳米传感器网络。
无线纳米传感器网络的设备组成有功能模块、纳米收发器、纳米天线等传感器设备，由于纳米传感器设备中天线的尺寸也是纳米级大小，因此无线纳米传感器网络可能的工作频率是在太赫兹频段（0.1~10THZ）。因为这样一个非常特殊的通信信道,例如，极其短的通信距离（小于1m）、较大的干扰、路径衰落、有限的通信能力（计算能力、存储大小，能量），这些特点使得适用于传统的无线传感器网络的各种算法和协议不再适用于WNSNs。
无线传感器网络与周围的物理现象紧密相关，感知到的信息需要和传感器节点的位置信息结合起来才能为工作人员提供精准的数据信息，另外，无线传感器网络也可在监控应用中用于跟踪特定目标，所使用的跟踪算法也需要传感器节点提供相应地位置信息，这些需求在无线纳米传感器网络中同样也存在。本课题研究的无线纳米传感器网络定位算法，针对目前无线纳米传感器网络定位算法稀少的情况下，设计出相对合理与精确的定位方法。该定位算法可以应用到纳米无线传感器网络。
目录
摘要 I
Abstract II
目录 IV
第1章绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 3
1.2.2 国外研究现状 3
1.3 本文研究内容 4
1.4 本文组织结构 4
第2章 本文关键技术 6
2.1 仿真工具及语言简介 6
2.2 传统传感器定位算法 7
2.3 DVHop定位算法 7
2.3.1 DVHop定位算法步骤 7
2.3.2 DVHop定位算法特点 9
2
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.4 三边定位算法 9
2.5 极大似然法 10
2.6 最小二乘法 10
2.7 本章小结 11
第3章 无线纳米传感器网络研究 12
3.1 纳米材料 12
3.1.1 石墨烯 12
3.2 纳米传感器通信方式 13
3.2.1 分子通信 13
3.2.2 纳米电磁通信 13
3.3 纳米传感器设备架构 13
3.3.1 传感装置 14
3.3.2 制动单元 15
3.3.3 动力装置 15
3.3.4 处理单元 16
3.3.5 存储单元 16
3.3.6 通信单元 17
3.4 电磁通信工作频段与编码 17
3.4.1 无线纳米传感器网络工作频率 17
3.4.2 信息编码和调制 17
3.5 纳米传感器网络应用 19
3.5.1 生物应用 19
3.5.2 环境应用 20
3.5.3工业和消费品应用 20
3.5.4 军事国防应用 21
3.6 本章小结 22
第4章 无线纳米传感器定位算法研究现状 23
4.1 基于跳数统计的定位算法FBHC的分析 23
4.1.1 基于跳数统计的定位算法FBHC原理及步骤 23
4.1.2 FBHC算法伪代码实现 24
4.1.3 FBHC算法性能评价分析 26
4.2 CBHC定位算法原理及步骤 26
4.2.1 CBHC算法伪代码实现 27
4.2.2 CBHC性能与优点 29
4.3 PBHC定位算法原理及步骤 29
4.3.1 PBHC算法可行性分析 30
4.3.2 PBHC定位算法设计 31
4.3.3 PBHC算法的伪代码实现 32
4.3.4 PBHC算法性能评价分析 33
4.4 本章小结 33
第5章 仿真实验与分析 34
5.1 算法性能评价指标 34
5.2 测距仿真 35
5.2.1 实验环境搭建 35
5.2.2 节点密度对测距准确度的影响 35
5.2.3 节点密度对耗能的影响 37
5.2.4 节点密度对平均时延的影响 38
5.3 定位仿真 39
5.3.1 实验环境搭建 39
5.3.2 节点个数对定位误差的影响 39
5.3.3 锚节点密度对定位误差的影响 40
5.4 对比结论 41
5.5 本章小结 42
第6章 总结与展望 43
6.1 总结 43
6.2 展望 43
第1章绪论
1.1 课题研究背景和意义
科技迅猛发展的同时，纳米技术也在不断进步，自从物理学家查德费曼在1959年所作《在底部还有很大空间》这一演讲并且获得诺贝尔奖之后，纳米技术得到了空前的关注，纳米技术（nanotechnology）这一名词在15年后的1974才被第一次定义[1]。也是自此，不断有纳米级的设备（1~几百纳米）被制造来应用到不同的领域，尤其是在生物、工业、军事以及食品安全等方面。纳米技术改变了解决问题的传统思维方式。 在纳米级的范围中，新型的纳米材料和纳米粒子表现出在微观水平没有过的新的特点。纳米技术的目的不仅仅是发展超小型化的传统设备，而是设计出纳米设备并利用纳米材料的特性实现新的功能，开拓新的应用领域。
当今是一个物联网时代，一个互联网技术延伸至实体世界的时代，无线射频（RFID）、无线传感器网络等技术的发展[31,32]让物联网得以实现。纳米技术最早的应用之一是在纳米传感器领域。一个纳米传感器可以利用纳米材料的特点探测到纳米范围的事件，例如，一个极其微小的的纳米传感器可以检测到的化学化合物、病毒或者感染剂浓度可以低至十亿分之一，这在生物、化学领域的应用前景是不可估量的。然而，单个的纳米传感器即使可以检测到精确的数据，却也局限于它的应用环境和通信范围，因此，多个纳米传感器之间的通信可以在复杂性和通信范围方面拓展单个纳米传感器的价值。一个包含了多个纳米传感器的网络可以覆盖更大区域的通信并且可以执行其他的处理动作。除此之外，现有的一些纳米范围的传感技术需要有外部的激励和测量设备来完成整个操作，纳米设备与微观（micro）和宏观(macro)设备之间的无线通信也就是无线纳米传感器网络（WNSN）解决了这一瓶颈。在这样一个物理技术与互联网技术平行发展的背景之中，又基于传统无线传感器网络的研究与应用逐步成熟的前提，已有一部分科学家将注意力放在了纳米无线传感器网络（WNSN）上，企图挖掘其在微观以下范围的价值这就形成了我们研究的无线纳米传感器网络。
无线纳米传感器网络的设备组成有功能模块、纳米收发器、纳米天线等传感器设备，由于纳米传感器设备中天线的尺寸也是纳米级大小，因此无线纳米传感器网络可能的工作频率是在太赫兹频段（0.1~10THZ）。因为这样一个非常特殊的通信信道,例如，极其短的通信距离（小于1m）、较大的干扰、路径衰落、有限的通信能力（计算能力、存储大小，能量），这些特点使得适用于传统的无线传感器网络的各种算法和协议不再适用于WNSNs。
无线传感器网络与周围的物理现象紧密相关，感知到的信息需要和传感器节点的位置信息结合起来才能为工作人员提供精准的数据信息，另外，无线传感器网络也可在监控应用中用于跟踪特定目标，所使用的跟踪算法也需要传感器节点提供相应地位置信息，这些需求在无线纳米传感器网络中同样也存在。本课题研究的无线纳米传感器网络定位算法，针对目前无线纳米传感器网络定位算法稀少的情况下，设计出相对合理与精确的定位方法。该定位算法可以应用到纳米无线传感器网络。
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