【正文】 所有節(jié)點相互配合共同完成。這些特點使得傳統(tǒng)的時間 同步機制難以適用。位置信息是傳 感器節(jié)點采集數據中不可缺少的部分阱】，確定事件發(fā)生的位置或者采集數據的 節(jié)點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。許多對目標定位與跟蹤應用的研究更是將節(jié)點位置已知 作為一個前提條件?？紤]采用能效高的網 絡通信協議和數據 局部處理策略（如數據融合技術）是一種可行的解決思路。如何保證任務執(zhí)行的機密性、數據產生的可 靠性、數據融合的高效性以及數據傳輸的安全性，就成為無線傳感器網 絡安全問 題需要全面考慮的內容。ＩＥＥＥ８０２．１５４標準是針對低速無 線網絡的無線通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標，旨在為個人或 者家庭范圍內不同設備之間低速聯網提供統(tǒng)一標準。 （６）嵌入式操作系統(tǒng) 傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作 系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內存、處理器和通信模塊，且能夠對各種特定 應用提供最大的支持。 （７）路由協議 節(jié)點在數據傳輸上所消耗的能量是最大的。 ７ 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 １．２．４無線傳感器網絡的應用領域 ＭＥＭＳ支持下的微小傳感器技術和節(jié)點間的無線通信能力為傳感器網絡賦 予了廣闊的應用前景，主要在軍事、環(huán)境保護、醫(yī)療以及商業(yè)等領域有著巨大的 優(yōu)勢。 （２）環(huán)境科學 隨著人們對 于環(huán)境的日益關注，環(huán)境科學所涉及的范圍越來越廣泛。類似地，無線傳感器網絡對森林火災準 確、及時地進行預報也應該是有幫助的。還可以利用無線傳感器網絡長時間地收集 人的生理數據，這些數據在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測 對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。ＮＡＳＡ的ＪＰＬ（Ｊｅｔ ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）實驗室研制的Ｓａ］ＳＯｉ＂Ｗｅｂｓ就是為將來的火星探測進行技 ８ 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 術準備，己在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。 １．３無線傳惑器網絡中的定位問題 作為一種全新的技術，無線傳感器網絡向科技工作者提出了許 多具有挑戰(zhàn)性 的研究課題，定位就是其中之一。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) （ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）是目前應用最廣泛最成熟的定位系統(tǒng)，ＧＰＳ系統(tǒng) 利用精確的同步衛(wèi)星時鐘提供授時和測距以對用戶節(jié)點進行定位，具有定位精度 高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是ＧＰＳ定位僅適應于無遮擋的室外環(huán) 境，其用戶設備通 常能耗高體積大，成本也較高。 在機器人領域中，機器人節(jié)點的移動性和自組織性等特性，使其定位技術與 無線傳感器網絡的定位技術有一定的相似性，但是機器人節(jié)點通常攜帶充足的能 量供應和精確的測距設備，并且系統(tǒng)中機器人節(jié)點的數量很少，機器人領域的定 位算法往往沒有考慮算法復雜度和能量消耗問題。 無線傳感器網絡節(jié)點定位問題的研究在國內才剛剛起步，國外雖有一定研 究，但偏重于定位算法的理論研究，距離實用化還有一定的差距。 理想的無線傳感器定位算法應該適合更一 般的網絡環(huán)境，無需特殊的距離測 量硬件設備，節(jié)點也無需預先布置，節(jié)點密度低，節(jié)點分布不規(guī)則，并且所有節(jié) 點可以不受控制地移動。而人工部署和為所有網絡節(jié)點安裝ＧＰＳ接收器都會 受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現，因 此必須針對其密集性且節(jié)點的計算、存儲和通信等能力都有限的特定條件，設計 有效的低功耗定位算法。這種方法在較高的信標節(jié)點通訊區(qū)域重疊率（或者與此等同的，較高的信標 節(jié)點密度）的情況下，能夠獲得較好的位置估算精度。它提供了場景分析和三邊測量兩種實現方式。然后通過比較到各個臨 近信標節(jié)點的距離，選擇出離自己最近的信標節(jié)點，從該信標節(jié)點廣播的信息中 取得自身的位置。 目前國內對基于ＷＳＮ的定位技術研究還不多，史龍１３７】等人在綜合分析大量 無線傳感器網絡定位算法的技術文獻和最新研究結果的基礎上，從測距技術和算 法兩方面闡述了定位機制的局限性，著重論述和比較了現有的六種定位算法，指 出無線傳感器網絡自身定位問題的研究方向。劉Ｉ目ｔｊ［４０［等人介紹了利用聲波測距的無線傳感器網絡定位算法的 實現策略，對具體實現機制進行了分析并給出相關結論。因此，該領域 還有待更多的人提出更好的方法，以求更好地解決定位問題。傳感器節(jié)點自身定位就是根據少數已知位置的節(jié)點， 按照某種定位機制確定自身的位置。信標節(jié)點在網絡節(jié)點中所占的比例很小，可以通過攜帶ＧＰＳ定位設備 或者人工部署等手段獲得自身的精確位置。 跳數（ｈｏｐｃｏｕｎｔ）：兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數，稱為兩個節(jié)點間的跳數。 到達時問差（ＴｕｎｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｒｒｉｖａＬＴＤＯＡ）：兩種不同傳播速度的信號從 １２ 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要的時間之差，稱為信號的到達時間差。 視線關系皿ｍＯｆＳｉｇｈｔ，ＬＯＳ）：兩個節(jié)點之間沒有障礙物，能夠直接通信， 稱為兩個節(jié)點之間存在視線關系。常用的節(jié)點間距離或角度的測 量技術有接收信號強度ＲＳＳＩ【５４１，信號到達時間ＴＯＡ［１３１，信號到達時間差ＴＤＯＡ［１２】 和信號到達角度ＡＯＡＤ７ｊ５嚕． １．５．２．１ＲＳＳＩ（ＲｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ） 在該測量方法【馴中，已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算信號 的傳播損耗，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離，該技術主 要使用ＲＦ信號。其誤差主要來源于信號實際傳播過程中受環(huán)境影 響造成的信號衰減與理論或經驗模型不符，從而帶來了實際建模的復雜性，如信 號反射、多徑干擾（ｍｕｌｔｉｐａｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），柵（Ｎｏｎ — Ｌｉｎｅ．Ｏｆ－Ｓ ｉｇｈｔ，ＮＬＯＳ）、 天線增益等。己知信號傳播速度，通過測量信號從發(fā)射機傳播到多個接收機所消耗 的傳播時間來確定移動用戶的位置。該方法的優(yōu)點在于對現有的移動 臺無需作任何改造，定位精度較高并且可以單獨優(yōu)化，定位精度與位置測量單元 的時鐘精度密切相關。由于傳感器節(jié)點在尺寸、成本、功耗上的限制，上述采用無線 電或超聲波信號的ＴＯＡ測距技術對無線傳感器網絡而言幾乎是不可行的。 巧吩 與上述ＴＯＡ方法相比， Ⅱ ）ｏＡ不需要時間同步，對時間精讀的要求低，且 ＴＤＯＡ技術的測距精度較ＲＳＳＩ高１５９ｌ，可達到厘米級，然而同樣受到超聲波傳播 中的ＮＬＯＳ 限制，只能適用于節(jié)點部署較為密集、障礙物較少的情況。 ＡＯＡ定位方法可惟一確定一個二維定位點。接收器利用定向天線或者天線陣來測量接收器收 到的來自目標發(fā)送器的信號的方向。 該概念在ＶＯＩｖｖＯＲＴＡＣ空航系統(tǒng)中有所應用，其中ＶＯＲＴＡＣ站點充當信 標節(jié)點以使得接收者能夠根據站點來決定其自 身的位置。 ５。 局限于傳感器節(jié)點有限的硬件資源，無線傳感器網絡中距離的測量存在著精 度較低、距離較短的缺點，這使得基于測量距離的定位方法面臨著很大的困難。 該方法是通過未知節(jié)點接收器天線或天線陣列測出信標節(jié)點發(fā)射電波的入射角， 從而構成一根從未知節(jié)點到信標節(jié)點的徑向連線，即方位線。在基于測距的定位算 法中，三邊測量法 ∞ ｌ刪ｏｎ）是計算坐標的基本途徑。由此解出Ｄ的坐標似夕）為： 匕］＝［；愛：耋；；凄：羔；］－１［要：喜：要：委：墨：墨］ ｃｔ一４， 三邊 測量法的缺點是：若在測距過程中存在誤差，上述三個圓就無法交于一 點，用存在誤差的西、如、吃去解上述方程時便無法得到正確解。 圖１－５極大似然估計祛定位示恿圖 已知號、Ｅ、己、 ? 、弓等ｎ個信標節(jié)點的坐標分別為 “ ，Ｍ）、（而，Ｙ２）、 （而，乃）、 ? 、（而，兒），它們到未知節(jié)點Ｄ的距離分別為４、吐、毛、 ? 、以， 假設未知節(jié)點Ｄ的坐標為（ｘ，ｙ），那么存在下列公式： Ｉ（ ‘ 一ｚ）２＋（乃一ｙ）２＝砰 ｛ｉ（１ ? ５） 【 “ 一ｚ）２＋ ∽ 一ｙ）２＝刃 求解，從第一個方程開始分別減去最后一個方程，得： ｆ＃一Ｋ２ — ２（＾一矗）工＋拜一Ｚ－２（ｙ．－ｙ．）ｙ－－ｄ，２一《 ｛ｉ（１－６） Ｉ靠。一《＋ｙ：。無線 傳感器網絡的節(jié)點定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響其可用性和應用范圍，需要滿 足自組織性、健壯性、能量有效性等需求，下面定性地討論幾個常用的評價標準。目前最常用的指標是定位解的均方誤差（ＭｓＥ）、均方根誤差（ＲＭＳＥ）、 克拉美一羅下界（ＣＲＬＢ）、 圓誤差概率（ＣＥＰ）、幾何精度因子（ＧＤＯＰ）等。信標節(jié)點的定位通常依賴人工部署或ＧＰＳ實現，人工部 署信標節(jié)點的方式不僅受網絡部署環(huán)境的限制，還嚴重制約了網絡和應用的可擴 展性；而使用ＧＰＳ定位，信標節(jié)點 的費用會比普通節(jié)點高兩個數量級【６２】，這意 味著假如信標節(jié)點比例增加１０％，整個網絡的價格將增加１０倍。由 于傳感器節(jié)點電池能量有限，因此在保證定位精度的前提下，必須盡可能減小定 位過程中的能量消耗。節(jié)點密度通 常以網絡的平均連通度來表示。盡管密集部署是無線傳感器網絡的特點之一。空間代價包括一個定位系統(tǒng)或 算法所需的基礎設施和網絡節(jié)點的數量、硬件尺寸等。另外，在給定的基礎設施 或時間內，一種技術可以定位多少目標也是一個重要的評價指標。但在真實應用場合下，測距和通信常會受到外界環(huán) 境的干擾，存在嚴重的多徑傳播、衰減、非視距、通信盲點等問題；傳感器節(jié)點 由于周圍環(huán)境或自身原因（如電池耗盡、物理損傷）而出現失效的問題；外界影 響和節(jié)點硬件精度限制造成節(jié)點間點到點的距離或角度測量誤差增大的問題。網絡拓撲結構會對定位的精度產生一定的影響， 某些定位機制對其有一定的要求，如節(jié)點需要以高密度部署，網絡必須是各向同 性，信標節(jié)點需要部署在網絡周圍等。 １．５．５節(jié)點定位算法的分類方法 盡管無線傳感器網絡自身定位系統(tǒng)和算法的分類還沒有一個統(tǒng)一的標準，一 個分類標準也不可能適用于所有定位系統(tǒng)和算法，但下面這些分類方法能從側面 反應出不同定位技術的特點。ＲＳＳＩ技 術雖然符合低功率、低成本的要求，但有可能產 生土５０％的測距誤差；ＴＯＡ技術 需要節(jié)點問精確的時間同步；ＴＤＯＡ技術受限于超聲波傳播距離有限和ＭＤＳ 問題對超聲波信號傳播的影響；ＡＯＡ也受外界環(huán)境影響，而且需要額外硬件， 在硬件尺寸和功耗上可能無法用于傳感器節(jié)點。無需測距技術一般采用的是節(jié)點平均每跳距離和跳數的乘積來計算節(jié)點間 的距離，然后再利用三邊定位技術來進行節(jié)點定位。距離無關定位算 法從各指標來看，都很適合無線傳感器網絡低成本、低功耗的要求。但研究 發(fā)現【的Ｊ，在相對定位的基礎上也能夠實現部分路由協議，尤其是基于地理位置 的路由，而且相對定位不需要信標節(jié)點。一般而言，精 粒度的定位技術大部分是Ｒａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄ，根據依賴信標節(jié)點所推斷出的距離或是 相關角度，精粒度定位方法又可以進一步細分為基于距離和基于方向兩種。前者在定位過程 中，以信標節(jié)點作為定位中的參考節(jié)點，各節(jié)點定位后產生整體絕對坐標系統(tǒng)； 后者只關心節(jié)點間的相對位置，在定位過程中無需信標節(jié)點，各節(jié)點先以自身作 為信標點，將臨近的節(jié)點納入自己定義的坐標系中，相鄰的坐標系統(tǒng)依次轉換合 并，最后產生整體相對坐標系統(tǒng)。集中式定位算法包括凸規(guī)劃（ｃｏｎｖｅｘｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）定位 算法【＆５ ” ，ＭＤＳ．ＭＡＰ定位算法１５３１等。分布式定位算法的缺點是需要大量的信標節(jié)點支持。論文的研究內容安排如 下： 第一章闡述了本課題的研究背景及意義，介紹了無線傳感器網絡的特點和體 系結構，分析了無線傳感器網絡中的關鍵技術，并總結了無線傳感器網絡的應用 領域，重點綜述了無線傳感器網絡節(jié)點定位問題及其在國內外的研究現狀。 １．６本文研究內容與結構安排 在無線 傳感器網絡中，定位問題是一個亟待解決的問題，因為很多無線傳感 器網絡的具體應用都要涉及到各節(jié)點的位置問題，作為無線傳感器網絡的支撐技 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 術之一，定位技術向國內外學者提出了許多挑戰(zhàn)，目前成為研究和討論的熱點。 分布式定位算法將計算工作分布到各個節(jié)點處，節(jié)點的位置估計在本地完 成。 集中式計算的優(yōu)點在于從全局角度統(tǒng)籌規(guī)劃，計算量和存儲量幾乎沒有限 制，可以獲得相對精確的位置估算。粗粒度定位技術一般是Ｒａｎｇｅ．Ｆｒｅｅ定位技術，其原 理是利用某種物理現象來感應是否有目標接近一個已知的位置。 （三）精粒度定位方法與粗粒度定位方法 依據定位技術所需信息的粒度可將定位算法和系統(tǒng)分為精粒度定位方法與 粗粒度定位方法【４５１兩類。而相對定位通常是 以網絡中部分節(jié)點為參考，建立整個網絡的相對坐標系統(tǒng)１１４１。 由于功耗和成本等因素，再加上粗精度定位能夠滿足大多數的應用，所以 Ｒａｎｇｅ．Ｆｒｅｅ定位技術是最有潛力的定位技術之一。所以，Ｒ皿ａｇｅ．Ｂａｓｅｄ 定位機制雖然在定位精度上有可取之處，但并不適用于要求低功耗、低成本的無 線傳感器網絡應用領 域。 （一）基于測距技術的定位和無需測距技術的定位 根據定位過程中是否測量實際節(jié)點間的距離，把定位算法分為：基于測距 技 術限ａｎｇｅ．Ｂ船ｅｄ）的定位和無需測距技術＠觚ｇｃ－ＦＤ ∞ ）的定位岬Ｊ． 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 Ｒａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄ定位算法利用一定的測距技術得到節(jié)點間的距離或角度等信 息，再使用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算