复杂环境中利用传感器网络局部拓扑结构的错误容忍移动定位方法研究

Wireless Sensor Network（WSN）-based mobile localization technique, as one fundamental component of the network monitor, has attracted more and more attentions. However, some of the collected data easily result in faulty data with large biases due to the network attacks, network environments, large obstacles and hardware errors, which brings a big challenge for localization. Furthermore,due to the limits of energy in WSN, The localization method relying on extra hardwares is not applicable and can not pick up all the faulty data. In this proposal, we try to develop a number of simple, flexible and high robust mobile target localization algorithms to solve this problem, by establishing appropriate models, based on sufficiently characterizing local topology information of the signal strength and the physical location in WSN as well as the mapping between them. The main research contents include: 1) construct mobile target localization model based on the local topology information of WSN; 2) build fault-tolerant mathematical model of WSN in complex enviroments; 3) build fault-tolerant mobile localization model in complex enviromental networks; 4) experimental evaluation.

利用无线传感器网络(WSN)的移动定位技术已受到广泛关注，是网络监测活动的基本功能之一。然而在复杂环境中，受网络攻击、环境、障碍物和硬件错误等影响，节点采集到的数据易被（恶意）篡改，产生错误数据，从而对定位造成严重影响。由于受WSN能耗等因素的限制，需要额外硬件辅助的检测方法在WSN中并不可行，并且也无法保证能检测出所有的错误数据。本项目旨在针对上述问题，基于充分挖掘WSN中信号强度和物理地址空间的局部拓扑结构信息以及它们之间的映射关系，建立相应模型,发展出若干简单、灵活且具有较高鲁棒性的移动目标定位方法。主要研究内容大致包括：1)构建基于WSN局部拓扑信息的移动定位模型；2)复杂环境下WSN中错误数据的容忍能力的数学表示方法；3）构建复杂环境下传感器网络中错误容忍的移动定位模型；4）实验评估。

基于无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的定位技术已受到全球的广泛关注。然而由于恶劣环境、障碍物、攻击等因素，定位的精度相当不稳定，且相应环境的移动定位技术发展更是难以令人满意。本项目旨在充分利用WSN本身的拓扑结构信息与信号空间的特性，针对如何提高复杂或不可信网络环境中的错误容忍定位，及移动定位和三维空间定位精度等问题进行了较深入的定位技术研究。通过3年项目执行，课题组取得的主要研究成果包括：1）通过理论和实验相结合的分析，验证了WSN中传感器节点所接收到的信号强度和（物理/空间）位置数据（或坐标）都具有（局部）流形特性；因而通过借鉴现有流形学习方法中关于局部几何的刻画方法实现了对WSN信号空间和物理空间的拓扑结构表示；2）针对较复杂网络环境中数据可能被（恶意）篡改的情况，通过分析正常数据和错误数据的密度特性及几何分布，利用节点的相对全局密度信息，构建出了错误容忍的鲁棒定位模型（FTLCA）定位模型。基于该模型构造的定位算法不仅避免了因使用较复杂检测及拦截等手段而增加WSN能量开销的缺点，而且还保证了较高的定位精度；3) 基于非测距技术DV-Hop定位算法提出了一种基于共线度信标节点选择的四重优化WSN定位算法CASBDV-Hop，以提高了定位的精度和稳定性。并进一步将研究工作扩展到了三维空间中，引入共面度的思想以消除三维空间定位中定位单元近似共面所引起的定位误差，提出了一种基于共面度的三维空间WSN定位算法3D-IDCP；（4）对复杂网络环境中移动节点的定位技术进行了较深入的研究，提出了一种基于蒙特卡罗的自适应移动节点定位算法，设置了自适应策略，可根据网络的实际情况自适应地选取样本数和跳数，在保证定位精度的前提下可减少采样次数和计算量，进而减少不必要的通信开销。通过该研究计划的资助，总共发表标注项目号论文 14 篇，其中SCI 7 篇。课题负责人获的了2015年度CCF）-《计算机学报优秀论文》（2010-2014）奖（五年已发表论文中选取三篇）。课题负责人申请实用新型专利1项。