【正文】 絡(luò)其自組織，配置方便，價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，是條件環(huán)境惡劣戰(zhàn)場(chǎng)的最佳選擇。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特有優(yōu)勢(shì)可以在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面提供很大的幫助。例如可以監(jiān)測(cè)病人的各項(xiàng)指數(shù)。例如，可以在房間內(nèi)安裝可以感知溫度、空氣指數(shù)等無(wú)線傳感器，從而可以掌握房間的相關(guān)因數(shù)從而控制門(mén)窗及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制。采用這種方式進(jìn)行外星球的探索，在一定程度上節(jié)省資金成本，同時(shí)其所占空間小，可以很好的同地面進(jìn)行交流。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)[12]是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]的研究熱點(diǎn)之一。由此可見(jiàn)獲取節(jié)點(diǎn)位置信息的重要性。目前，主要解決方法是利用少量位置信息已知節(jié)點(diǎn)（GPS定位或者人工預(yù)設(shè)位置信息），通過(guò)一定的節(jié)點(diǎn)定位算法，來(lái)獲得其他未知節(jié)點(diǎn)的位置信息?？傊F(xiàn)在該技術(shù)并不完善，下面簡(jiǎn)單介紹一下其存在的問(wèn)題：1） 用于定位技術(shù)的資金投入較大；2） 受自身能量的限制，制定方案時(shí)要綜合考慮；3） 目前測(cè)距的方法缺乏高精確度；4） 節(jié)點(diǎn)存在的誤差會(huì)因節(jié)點(diǎn)數(shù)目太大而累積；5） 定位所需要的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)；6） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)不是很成熟。這些算法大體可以分為兩類(lèi)一是基于測(cè)距的(Rangebased)算法另一種是基于非測(cè)距的(Rangefree) 算法。未知節(jié)點(diǎn)（unknown nodes）：網(wǎng)絡(luò)中錨節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)自身位置信息未知，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與錨節(jié)點(diǎn)互聯(lián)計(jì)算獲取位置信息。跳距（hop distance）：從一節(jié)點(diǎn)到另一節(jié)點(diǎn)的所有跳段的距離和。不過(guò)利用這種方法事先要知道兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系的信息，例如距離或角度，其過(guò)程大體分為三個(gè)階段：（1）測(cè)距階段。主要針對(duì)階段（2）所得到的坐標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步求解已到達(dá)減小誤差的目的。 時(shí)間差（TDOA）定位法TDOA[24]測(cè)距是通過(guò)計(jì)算兩種不同無(wú)線信號(hào)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，再根據(jù)兩種信號(hào)傳播速度來(lái)計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離。不過(guò)這種方法因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)其傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大其無(wú)線通信范圍小實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。值得說(shuō)明的是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中攜帶著該節(jié)點(diǎn)的各種位置信息和標(biāo)識(shí)號(hào)等。在這種算法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)定期向其臨近節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)分組，而當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)所接收到的不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)分組數(shù)量超過(guò)設(shè)定值或是接收時(shí)間超過(guò)規(guī)定值，就確定自身位置為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。利用這一方法，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)(包括其他錨節(jié)點(diǎn))都獲得了到每一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值。如果是未知節(jié)點(diǎn)，其得到3個(gè)以上校正值并可利用最小二乘法就可以估算出其自身的位置。這種累積誤差會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大小或錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量等因素的影響。每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)第一波中記錄的跳數(shù)信息和相距距離，利用式（31）估算平均每跳實(shí)際距離 （31）式中 ，為錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；為錨節(jié)點(diǎn)i和 j(i≠j )之間的跳數(shù)。DVHop算法包括三個(gè)步驟。第三步，主要利用未知節(jié)點(diǎn)所獲得與3個(gè)或更多錨節(jié)點(diǎn)的距離利用三邊測(cè)量進(jìn)行定位。75mL2L1AL3100m40m圖31 DVHop算法進(jìn)過(guò)上面的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的定位算法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。第四章 DVHop算法改進(jìn)的定位技術(shù) DVHop算法的缺陷(1)下面介紹一下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的bad節(jié)點(diǎn)；(i)圖41是第一類(lèi)bad節(jié)點(diǎn)的示意圖，節(jié)點(diǎn)M為已知節(jié)點(diǎn)，其位置坐標(biāo)為已知，節(jié)點(diǎn)N是未知節(jié)點(diǎn)，其位置不確定，它可能在N1，也可能在N…Nn但它的一跳節(jié)點(diǎn)只能是M，則這樣的節(jié)點(diǎn)N被稱為 bad節(jié)點(diǎn)。而監(jiān)測(cè)覆蓋的面積又同節(jié)點(diǎn)的定位覆蓋率成正比。 DVHop算法的改進(jìn) DVHop算法的距離誤差校正在先前傳統(tǒng)算法中，將未知節(jié)點(diǎn)到已知節(jié)點(diǎn)的距離用已知節(jié)點(diǎn)間的平均每跳距離HopDisef乘以跳數(shù)代替，顯然那這種算法存在很大的誤差。在公式（41）中，有以下成立： （44） （45）m為：己知節(jié)點(diǎn)e到已知節(jié)點(diǎn)f的總跳數(shù)HopDisef：己知節(jié)點(diǎn)e的平均每跳長(zhǎng)度步驟2，各個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到同一已知節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度并不相同，因而所產(chǎn)生的距離誤差也不同，不能夠使用統(tǒng)一的校正修正值來(lái)計(jì)算，因此求e到節(jié)點(diǎn)f的平均每跳誤差校正值avgeef： （46）M：已知節(jié)點(diǎn)e到己知節(jié)點(diǎn)f的總跳數(shù)是m在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，已知節(jié)點(diǎn)會(huì)將自己到其它已知節(jié)點(diǎn)的m、lenef、avgeef以廣播形式傳遞出去，當(dāng)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到這些數(shù)據(jù)后將會(huì)保存在一個(gè)路由表{IDk，xk，yk，hopk}內(nèi)，接著這個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)在將這些數(shù)據(jù)傳送給與它鄰近的抑制節(jié)點(diǎn)，不過(guò)跳數(shù)將變成m+1。步驟3，利用以上兩步找到離待測(cè)節(jié)點(diǎn)最近的3個(gè)已知節(jié)點(diǎn)。利用該方法主要分為兩部分:首先先利用MINMAX算法，進(jìn)行待測(cè)節(jié)點(diǎn)位置的粗略求解然后利用加權(quán)最小二乘法求出估計(jì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。交集范圍可由公式(48)求解出: （48）待測(cè)節(jié)點(diǎn)的估算位置是此交叉范圍的幾何中心，見(jiàn)公式（49）：（49） (2)加權(quán)最小二乘法求解待測(cè)節(jié)點(diǎn)的估算坐標(biāo)值： （410）ts(x)：是由有G個(gè)待測(cè)節(jié)點(diǎn)到已知節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度估算所構(gòu)造的值殘差方程注意上式只適用于不知道距離時(shí)進(jìn)行估算。當(dāng)時(shí)估算值的均方誤差最小。(3)定位過(guò)程過(guò)程1，主要是對(duì)待測(cè)位置進(jìn)行粗略的估算。 改進(jìn)算法的流程圖圖45和圖44分別為改進(jìn)算法的已知節(jié)點(diǎn)程序流程圖和改進(jìn)算法的未知節(jié)點(diǎn)程序流程圖，由圖可知未知節(jié)點(diǎn)和已知節(jié)點(diǎn)改進(jìn)過(guò)的程序流程圖并不相同 。（1）洪泛協(xié)議，是最簡(jiǎn)單的路由協(xié)議，此協(xié)議中沒(méi)有任何路由算法。（2）距離矢量路由協(xié)議，是簡(jiǎn)單路徑的分布式路由算法。該算法的總體流程圖如下：圖47 網(wǎng)絡(luò)總體流程圖圖48 網(wǎng)絡(luò)流程圖圖49 錨節(jié)點(diǎn)模塊流程圖 仿真設(shè)計(jì)已知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的側(cè)重點(diǎn)，現(xiàn)在將要對(duì)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位的網(wǎng)絡(luò)做如下安排：以此類(lèi)推 （1）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署在二維的平面區(qū)域上，這樣未知節(jié)自身定位時(shí)僅需三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置和距離信息；以此類(lèi)推要是三維空間則，則需要四個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置和距離信息。（5）由于種種限制，只有部分傳感器節(jié)點(diǎn)裝有定位裝置進(jìn)而成為錨節(jié)點(diǎn)，但其他節(jié)點(diǎn)也具有這種處理能力。通信模型：設(shè)定該節(jié)點(diǎn)的通信模型是以其自身為中心的圓，半徑為R；錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的通信能力相同，通信半徑均為 R；節(jié)點(diǎn)間具有對(duì)稱的通信能力，發(fā)送和接收能力相同。BeaconAmount=20。%未知節(jié)電到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離初始矩陣；BeaconAmount行NodeAmount列h=zeros(NodeAmount,NodeAmount)。C]。Sxy(3,(BeaconAmount+1):NodeAmount)]。k.39。* 紅色信標(biāo)節(jié)點(diǎn) . 黑色未知節(jié)點(diǎn)39。%初始跳數(shù)矩陣 elseif i==j h(i,j)=0。 D1=Dall(1:BeaconAmount,1:BeaconAmount)。%未知節(jié)點(diǎn)從最近的信標(biāo)獲得校正值 end endendDhop%~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~用跳數(shù)估計(jì)距離~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~hop1=h(1:BeaconAmount,(BeaconAmount+1):NodeAmount)%未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)跳數(shù)，BeaconAmount行UNAmount列for i=1:UNAmount hop=Dhop(1,i)。 endendA=2*(a39。 end X1=inv(A39。 X(2,m)=X1(2,1)。o39。算法的平均誤差定義為：取基本方案（方案1）如下：BorderLength=100；NodeAmount=200；BeaconAmount=20；UNAmount=NodeAmountBeaconAmount；R=60；此時(shí)error = ，Accuracy（定位精度） = 仿真結(jié)果如圖410，圖411：表格 定位方案方案BorderLengthNodeAmountBeaconAmountRErrorAccuracy11002002060220020020603100100206041002001060510020020406501001040方案2仿真結(jié)果如圖412和413；方案3仿真結(jié)果如圖414和415；方案4仿真結(jié)果如圖416和417；方案5仿真結(jié)果如圖418和419；方案6仿真結(jié)果如圖420和421；通過(guò)修改基本方案1的參數(shù)，每次只改變一個(gè)，從而得到對(duì)比性很強(qiáng)的方案2到方案5。方案6參數(shù)如下：BorderLength=50；NodeAmount=100；BeaconAmount=10；UNAmount=NodeAmountBeaconAmount；R=40；此時(shí)error = ，Accuracy = 仿真結(jié)果如圖420，圖421。仿真結(jié)果如圖422所示: 圖422 傳統(tǒng)DVHOP算法圖423 改進(jìn)型DVHOP算法其中:錨節(jié)點(diǎn)位置用黑色三角形表示,未知節(jié)點(diǎn)位置用紅色圓圈表示,利用傳統(tǒng)DVHOP算法定位的節(jié)點(diǎn)位置用藍(lán)色圓圈表示,利用新的改進(jìn)型的DVHOP算法定位的節(jié)點(diǎn)位置用藍(lán)色花形表示。圖424不同方法計(jì)算平均跳距時(shí)兩種算法的平均定位誤差（圓點(diǎn)為傳統(tǒng)DVHop算法；三角形為改進(jìn)后算法） 觀察上圖可知，兩種算法隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多，平均定位誤差都都有所下降。不過(guò)隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增加，它們的平均定位誤差也趨于平穩(wěn)。 本章小結(jié)本章在傳統(tǒng)DVHop算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),對(duì)其距離誤差進(jìn)行校正，使用MINMAX與加權(quán)最小二乘法進(jìn)行結(jié)合進(jìn)而求解未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并對(duì)DVHop算法進(jìn)行了MATLAB仿真分析，并且得出結(jié)論：error和BorderLength成正比關(guān)系；和NodeAmount成反比關(guān)系；和BeaconAmount成反比關(guān)系；和R成正比關(guān)系。但是有考慮到節(jié)點(diǎn)的投資成本，體積大小，能量消耗，及其所需的軟硬件資源等，為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)配備GPS收發(fā)器，從成本和能耗角度考慮并不現(xiàn)實(shí)，基于以上原因，應(yīng)當(dāng)研究適合于無(wú)線傳感器特點(diǎn)的自定位算法。根據(jù)在MATLAB仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，新的算法具有更好的定位精度，可以有效應(yīng)用于WSN的節(jié)點(diǎn)定位。:158161.[19]趙文輝,姜宇,劉大昕. 高精度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法[J]. 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