基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)定位模型(共15頁)

1、 研究生課程(kchng)論文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)定位(dngwi)模型課程名稱 高級(goj)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 姓 名 學(xué) 號 專 業(yè) 計算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 任課教師 開課時間 第一學(xué)期 教師評閱意見：論文成績評閱日期課程論文提交時間： 年 月 日基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)定位模型摘要(zhiyo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，利用其實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中目標(biāo)的定位技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一，由于受環(huán)境，障礙物，網(wǎng)絡(luò)攻擊和硬件錯誤(cuw)等諸多因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)易產(chǎn)生較大誤差，形成錯誤數(shù)據(jù)，從而對定位造成嚴(yán)重影響，盡管已經(jīng)發(fā)展出眾多定位算法和模型，但針對錯誤數(shù)據(jù)實現(xiàn)定位

2、的研究還比較少見，尤其國內(nèi)，幾乎空白。文中針對上述問題，旨在利用網(wǎng)絡(luò)(幾何)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，提出一種用局部信息刻畫全局分布密度信息的新穎物聯(lián)網(wǎng)定位模型，魯棒的局部保持的典型相關(guān)分析定位模型LE-RLPCCA，與現(xiàn)有同類模型方法在真是環(huán)境中的實驗結(jié)果(ji gu)相比，LE-RLPCCA具有更高的定位魯棒性和穩(wěn)定性。 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc436606605 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc436606605 h 1 HYPERLINK l _Toc436606606 引言(ynyn) PAGEREF _Toc436606606 h 3 HYP

3、ERLINK l _Toc436606607 一基于(jy)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)定位機(jī)制 PAGEREF _Toc436606607 h 5 HYPERLINK l _Toc436606608 二LE-LPCCA的模型建立 PAGEREF _Toc436606608 h 7 HYPERLINK l _Toc436606609 三LE-RLPCCA定位模型的提出 PAGEREF _Toc436606609 h 10 HYPERLINK l _Toc436606610 1.錯誤數(shù)據(jù)的幾何表現(xiàn) PAGEREF _Toc436606610 h 10 HYPERLINK l _Toc436606611 2

4、.RlPCCA模型描述 PAGEREF _Toc436606611 h 10 HYPERLINK l _Toc436606612 3.LE-RLPCCA定位算法 PAGEREF _Toc436606612 h 11 HYPERLINK l _Toc436606613 小結(jié) PAGEREF _Toc436606613 h 13引言(ynyn)物聯(lián)網(wǎng)是把具有標(biāo)識，感知和只能處理能力的物體，借助通信(tng xn)技術(shù)互聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò)，這些無需人工干預(yù)即可實現(xiàn)協(xié)同和互動，木釘在于為人們提供只能服務(wù)，由于物聯(lián)網(wǎng)可廣泛用于各種自然災(zāi)害的監(jiān)測，醫(yī)療衛(wèi)生，電力系統(tǒng)，智能交通，智能小區(qū)管理，軍事，航空和航天等領(lǐng)

5、域，因此美國，日本等國大力投資著手開展對其相關(guān)技術(shù)的研究，并建立或正在建立國家級感知中心，目前我國也正在建立自己的“傳感信息中心”，無疑(wy)，物聯(lián)網(wǎng)正在進(jìn)入迅速發(fā)展的時期。隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，傳感器技術(shù)已開始得到廣發(fā)關(guān)注和應(yīng)用，通過它構(gòu)成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可連接物理世界和數(shù)字世界，目前國際上已有研究工作將其應(yīng)用與環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)以及時發(fā)現(xiàn)和定位事故源，航空和航天的落點(diǎn)控制，軍事目標(biāo)的定位和跟蹤等方面，在各種應(yīng)用中，位置信息和物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，雖然可以通過全球定位系統(tǒng)GPS實現(xiàn)定位，但是其適應(yīng)于無遮擋的室外環(huán)境，且用戶節(jié)點(diǎn)通常能耗高，體積大，成本較高，還需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，因此在GPS應(yīng)用受限

6、的場景下，或是在人類難以勝任或無法到達(dá)的復(fù)雜環(huán)境中，采用體積小，能量消耗低，價格低廉的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好的解決目標(biāo)發(fā)現(xiàn)及定位等問題。因而，作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問題已得到越來越多的關(guān)注。目前的WSN定位技術(shù)有基于接收信號強(qiáng)度指示(RSSI),基于到達(dá)時間，基于到達(dá)時間差和基于到達(dá)角度等方法，其中，因RSSI定位技術(shù)無需額外硬件設(shè)備支持，且符合低功率，低成本等要求，故得到更廣泛的應(yīng)用。然而基于RSSI的定位結(jié)果常不穩(wěn)定，故應(yīng)用性受到一定限制，為了解決這一問題，研究者們已經(jīng)提出了眾多改進(jìn)策略和算法，今年來，借助機(jī)器學(xué)習(xí)對定位機(jī)制進(jìn)行策略和算法設(shè)計已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)之一，

7、該類方法的實質(zhì)是將傳感定位過程視為一個機(jī)器學(xué)習(xí)問題，通過深入挖掘可用傳感數(shù)據(jù)所隱含的信息（如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的非線性表示等），學(xué)習(xí)并建立一個從信號空間到物理空間的映射，而后運(yùn)用該映射估計出未知節(jié)點(diǎn)的空間(位置)坐標(biāo)，從而實現(xiàn)定位，其中，其最近提出一個聯(lián)合充分利用信號空間和物理空間局部拓?fù)涔?jié)后信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位(Location-Estimation-Locality Processing Canonical Correlation Analysis，LE-LPCCA)，與目前的同類方法相比，其定位精度和穩(wěn)定性顯著提高。然而，在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)中，由于硬件錯誤，網(wǎng)絡(luò)攻擊，能力不足(bz)，惡

8、劣天氣等實際環(huán)境因素的影響，所采集的數(shù)據(jù)常含有較大誤差，從而影響定位結(jié)果。本文針對該問題，在提出LE-LPCCA的基礎(chǔ)上，通過對信號空間和物理空間局部信息的刻畫進(jìn)行改造，提出具有較好魯棒性的LE-Robust LPCCA定位模型，使其包含局部結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)上包含相對全局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，并利用這些結(jié)構(gòu)信息最大程度地減小錯誤(cuw)數(shù)據(jù)在整個建模過程中的影響?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)定位(dngwi)機(jī)制物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)自底向上可分為四層，傳感器網(wǎng)絡(luò)層，接入網(wǎng)絡(luò)層，中間件層和應(yīng)用層。傳感器網(wǎng)絡(luò)層處于最底層，它將各種( zhn)設(shè)備上的傳感器連接起來形成一個信息采集和控制的網(wǎng)絡(luò)，由圖1可見，定位機(jī)制

9、涉及到物聯(lián)網(wǎng)的4個層次，受限，在最底層由傳感器采集各類監(jiān)控信號，經(jīng)過WSN的匯聚節(jié)點(diǎn)或基站傳輸?shù)缴弦粚泳W(wǎng)絡(luò)空間；其次，在網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合(預(yù)處理)，通過網(wǎng)橋，網(wǎng)關(guān)，路由等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入核心網(wǎng)絡(luò)；接著，在中間件層，傳輸來的數(shù)據(jù)被存儲在相應(yīng)服務(wù)器中，并由定位模型成算法進(jìn)行定位；最后，定位結(jié)果一方面在應(yīng)用層呈現(xiàn)給管理員，另一方面根據(jù)應(yīng)用需求，反饋給物聯(lián)網(wǎng)底層，實現(xiàn)對應(yīng)的控制，該文的重點(diǎn)在中間件層，研究如何根據(jù)已知節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度和屋里坐標(biāo)，建立定位模型。圖1在基于WSN的物聯(lián)網(wǎng)定位機(jī)制中，利用信號空間和物理空間的兩個配對的數(shù)據(jù)集，來建立兩個空間之間的映射是一個關(guān)鍵步驟。在WSN中，節(jié)點(diǎn)功率，傳輸模型

10、(mxng)相似的情況下，若倆個傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度值相似，那么他們在網(wǎng)絡(luò)中的實際物理位置也相鄰。這一特性表面信號與物理位置之間存在相關(guān)性。針對該問題，典型關(guān)聯(lián)聯(lián)系（CCA）可用來建立倆個數(shù)據(jù)(shj)集之間的映射并且使之相關(guān)性最大。但此方法只適用數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系。本文提出一種具有魯棒性的定位模型。LE-LPCCA的模型(mxng)建立在基于RSSI的WSN定位機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)的定位分為訓(xùn)練階段和定位階段。在訓(xùn)練階段，通常對已知節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度和物理坐標(biāo)來得出信號空間和物理空間的映射，建立定位模型；在定位階段，運(yùn)用得出的模型對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行(jnxng)位置估計。在WSN中，已知傳感器所采用的信

11、號空間的和物理空間數(shù)據(jù)可以(ky)分別表示成兩組數(shù)據(jù)集，記 QUOTE 為n個已知節(jié)點(diǎn)所接收到的信號強(qiáng)度，其中每個信號向量xi的維度為p，p為AP節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。 QUOTE 為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)，通常在實際空間中，坐標(biāo)為二維或者三維。因此q=2或3，構(gòu)建定位模型的首要任務(wù)就是建立兩個數(shù)據(jù)集之間的映射。CCA是用來構(gòu)建倆組數(shù)據(jù)間的映射的經(jīng)典方法，其目標(biāo)是分別為X和Y尋找兩組基向量wx,和wy，使得變換后的數(shù)據(jù) QUOTE 和 QUOTE 之間的相關(guān)性達(dá)到最大，其中 QUOTE ， QUOTE 分別是X和Y的樣本均值，模型如下：其中 QUOTE = QUOTE ,對于模型的求解，可以轉(zhuǎn)化為如下模型，

12、通過優(yōu)化模型，可以得到線性變換可以將信號強(qiáng)度和物理坐標(biāo)值映射于同一空間，并且(bngqi)找到其最大相關(guān)的向量。但是上述模型，只能挖掘倆組數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)現(xiàn)象，而且(r qi)沒有利用網(wǎng)絡(luò)的局部結(jié)構(gòu)信息。為了彌補(bǔ)這個問題，利用LE-LPCCA算法在構(gòu)建映射時，將網(wǎng)絡(luò)的局部結(jié)構(gòu)引入到CCA中，將原來的全局非線性問題變?yōu)槿舾删植烤€性問題，計算每個鄰域內(nèi)的典型相關(guān)問題，然后對這些子問題求解，因此通過局部線性的方法達(dá)到解決非線性問題的目的。LE-LPCCA模型首先給出了WSN中近鄰節(jié)點(diǎn)(ji din)的定義。定義1. 在信號空間中，ne(i)表示與i節(jié)點(diǎn)所接收到的信號強(qiáng)度相似的節(jié)點(diǎn)標(biāo)號集合，即xi的

13、局部近鄰樣本下標(biāo)集。根據(jù)上述定義，WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在信號空間和物理空間的相似度矩陣為Sx = QUOTE 和SY+ = QUOTE 其中矩陣元素：其中M = x 或者M(jìn) = y； QUOTE 因此，可以看出S越大意味著xi 與xj距離越近，如互不在鄰域范圍內(nèi)，則相似度為零，并且依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)的布局，因此S可以隨著網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而變化，從而顯示出高度的靈活性。因而原模型可轉(zhuǎn)化為下面模型：其中(qzhng) QUOTE = QUOTE , QUOTE , QUOTE 類似(li s)前面結(jié)構(gòu)。利用上述模型，找到信號與物理信號的中對應(yīng)簇。至此(zhc)，LE-LPCCA模型對WSN中信號空間

14、到物理空間的映射已建立完成。LE-RLPCCA定位(dngwi)模型的提出錯誤數(shù)據(jù)的幾何(j h)表現(xiàn)在復(fù)雜或不可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，受網(wǎng)絡(luò)攻擊，硬件錯誤，環(huán)境障礙無等因素影響(yngxing)，數(shù)據(jù)在傳輸或定位過程中易發(fā)生失真或錯誤，與普通網(wǎng)絡(luò)中易產(chǎn)生的簡單誤差不同，這種錯誤數(shù)據(jù)會產(chǎn)生嚴(yán)重地影響定位結(jié)果。這種具有嚴(yán)重偏差的錯誤數(shù)據(jù)，也可稱為“野值”，其值與所采集到的正常數(shù)據(jù)有很大偏差，從而嚴(yán)重影響定位結(jié)果。換言之，這類數(shù)據(jù)會是錯誤數(shù)據(jù)在幾何空間分布上遠(yuǎn)離其他正常數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而具有較低的分布密度。因此，該模型的目的，是在同一數(shù)據(jù)集中，使分布密度較低的點(diǎn)對定位的影響較低，以實現(xiàn)較好的魯棒性。RlPCCA

15、模型描述通過LE-LPCCA的刻畫，我們有了相似度矩陣S的定義，從而可以得到 QUOTE ,其中， QUOTE 刻畫了節(jié)點(diǎn)i在信號空間中所處區(qū)域密集程度，若 QUOTE 越大，表示節(jié)點(diǎn)i所處的區(qū)域密度越高，進(jìn)一步，我們可以刻畫出基于節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的密度：顯然 QUOTE 越大，表示節(jié)點(diǎn)i在信號(物理)空間的密度越大。有此可以得出信號空間的密度矩陣將之前模型中S用 QUOTE 代替，可以得到如下優(yōu)化問題：其中(qzhng) QUOTE = QUOTE , QUOTE , QUOTE 定義(dngy)與 QUOTE 類似(li s)。上述模型的求解，文獻(xiàn)15給出了利用奇異值分解(SVD)技術(shù)求解CC

16、A的方法。本文同樣利用SVD求解RLPCCA，進(jìn)而得到線性變換w。LE-RLPCCA定位算法已知信號強(qiáng)度矩陣X和對應(yīng)物理坐標(biāo)矩陣Y，定位模型目標(biāo)就是通過未知節(jié)點(diǎn)g所接收到的信號向量 QUOTE ,估計出g的位置坐標(biāo) QUOTE .由RLPCCA算法，可以使數(shù)據(jù)變幻后的信號空間和物理空間的相關(guān)性最大，且仍保持原是空間局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。因此，坐標(biāo)鄰近的點(diǎn)在變換后信號空間中依舊相鄰。根據(jù)這一特性，我們可已對未知節(jié)點(diǎn)所接收到的信號強(qiáng)度值做數(shù)據(jù)變幻后，找出與之K個距離最近的已知節(jié)點(diǎn)，因而K個節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)必定也在 QUOTE 附近。最終可以通過質(zhì)心法計算出g點(diǎn)的物理坐標(biāo)：現(xiàn)在總結(jié)LE-RLPCCA算法的

17、具體構(gòu)建步驟，其訓(xùn)練階段和定位階段分別描述如下：訓(xùn)練階段：計算相似度矩陣SX|Y計算密度矩陣MX|Y求解最優(yōu)化問題，學(xué)習(xí)物理空間和信號空間的關(guān)系，求出映射矩陣W對已知數(shù)據(jù)(shj)X, Y做線性變換： QUOTE = QUOTE ,即對原始空間數(shù)據(jù)做相應(yīng)(xingyng)映射，從而使的 QUOTE 相關(guān)性達(dá)到(d do)最大。定位階段：對于未知節(jié)點(diǎn)g所接收到的信號向量為 QUOTE ,用 QUOTE 對原始信號作線性變換。通過歐氏距離的計算,尋找 QUOTE 在Px中K個距離最近的已知節(jié)點(diǎn)。找出這K個節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)，再通過(10)估算g點(diǎn)位置。小結(jié)(xioji)文章提出的一種LE-RLPCCA

18、物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)定位模型，通過充分利用WSN中信號空間和物理空間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和密度信息，可有效應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集易產(chǎn)生較大錯誤的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，以克服現(xiàn)有的算法或模型定位精度不高，魯棒性差等問題。與同類研究相比，該模型應(yīng)用與錯誤(cuw)數(shù)據(jù)的場景中，具有定位精度高且性能相對穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 Niculescu D, Nath B. Ad Hoc Positioning System (APS) Using AoAJ. Proceedings - IEEE INFOCOM, 2003, 3:1734 - 1743.2 Harter A, Hopper A, Steggles P, et al. The Anatomy of a Context-Aware ApplicationJ. Wireless Networks, 1999, 8(2-3):187-197.3 王福豹, 史龍, 任豐原. 無線