【正文】 ４、在現(xiàn)有算法基礎(chǔ)上，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，研究并設(shè) 計出一種新的定位算法，稱為ＥＬＭ定位算法。實驗節(jié) 點采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＬＰＣ２１３８嵌入式微處理器和Ｃｈｉｐｏａｎ公司的 ＣＣｌ１００射頻通信芯片。對本文的研究作出 重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本學位論文屬于 １、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 １．１課題研究背景 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ｗ＇ｎ＇ｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ。 我們將這類傳感器節(jié)點高密度地分撒在某個環(huán)境里，通過無線通信進行連 接，它們就從整體上構(gòu)成了一種特殊的網(wǎng)絡(luò)。從2020年起，國際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報道， 美國自然科學基金委員會2020年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃。日本、 德國、英國、意大利等科技發(fā)達國家也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣， 紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。位置信息對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生 的 位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測消息中所必須包含的重要信息， 因為沒有位置信息的監(jiān)測消息往往是毫無意義的１５羽。因此，確定事件發(fā)生的位置或確定獲取消息的節(jié)點位置是無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的有效性起著關(guān)鍵的作用。傳感器節(jié)點的定位往往利用少量己知位置的節(jié)點，通過節(jié)點問的協(xié) 作，按照某種定位機制確 定需要定位節(jié)點的位置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)作 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一，可見對它的研究是很重要的。 （３）在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點相當于一個路由器，節(jié)點位置的確 定，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由起著很重要的作用。 １．２無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，推動了低功耗多功能傳 感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等 多種功能。 １．２．１無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成及應(yīng)用場景和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較大的不同，無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的環(huán)境中，能源無法替代且傳感器節(jié)點 本身是微功耗的，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有能量有限性的特點。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)除了具有無線網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性［ＩＶ２０】等共同特征以外，還具有很多其 他鮮明的特點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點組成的，單個節(jié)點的成 本直接影響到網(wǎng)絡(luò)的總成本。由于節(jié)點能量有限，無可避免 地存在移動節(jié)點和傳感器節(jié)點失效或廢棄的情況，會產(chǎn)生新節(jié)點增補，這就可能 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化。此外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的沖突、信號衰減、噪聲和信道間干 擾等多種因素，傳感器節(jié)點得到的實際帶寬遠遠小于理論上的最大帶寬。電 源能量約束是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴重問題，因此電源效率 是設(shè)計時考慮 的關(guān)鍵因素。固定網(wǎng)絡(luò)的多跳路由是用網(wǎng)關(guān)和路 由器來實現(xiàn)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的，沒有專 門的路由設(shè)備。信道加密、抗干擾、用戶認證和其他安全 措施都需要特別考慮。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點逐跳地 進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚 節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。 圖１－Ｉ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和 通信 能力比較弱。負責監(jiān)測 區(qū)域范圍內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 （３）無線通信模 塊。該模塊由電源供電單元和動態(tài)電源管理單元組成，為 無線傳感器節(jié)點提供正常工作所需的能量。時間同步ｆ糾是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)服務(wù)之一，是節(jié)點協(xié)同工作的基礎(chǔ)。當前研究的難點問題是需要設(shè)計具有一定同步精度的低通信 開銷、動態(tài)可擴展的時間同步機制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位可以表述 為依靠有限的位置己知節(jié)點，確定布設(shè)區(qū)域中其他節(jié)點的位置，在傳感器節(jié)點問 建立起一定的空間關(guān)系。當前研究的難點問題是如何充分利用節(jié)點提供的冗余信息， 在滿足定位精度的前提下，設(shè)計低開銷（較少的通信）、低成本（較少的信標） 的分布式定位算法。因此在從各個傳感器 節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中，可利用節(jié)點的本地計算和存儲能力處理數(shù)據(jù)的融合，去 除冗余信息，從而達到節(jié)省能量的目的。為了保證任務(wù)的機密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和 融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)一些最基本的安全機制：機密性、點到點的消息 認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。由 于ＩＥＥＥＳ０２．１５４標準的網(wǎng) 絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，故很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的無線通信平臺。在 面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可 以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。數(shù)據(jù)傳輸涉及網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。當然，在空間探索和災(zāi)難拯救等特殊的領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有其得天 獨厚的技術(shù)優(yōu)勢。通過傳 統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精 細農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度ｆ２６３、水分含量和施肥狀況等。也可實現(xiàn)在人體 內(nèi)植入人工視網(wǎng)膜（由傳感器陣列組成）讓盲人重見光明ｔ２９１。 （５）商業(yè)應(yīng)用 自組織、微型化和對外部世界的感知能力是無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的三大特點，這 些特點決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該也會有不少的機會。定位是大多數(shù)應(yīng)用，特別是軍事應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于傳感器節(jié)點在大小、能量 及構(gòu)造費用上的限制，ＧＰＳ的成本和功耗是傳感器節(jié)點所無法接受的，用ＧＰＳ 接收器作為節(jié)點基本上是不可能的。 所以這些機器人定位算法也不 適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無需測距技術(shù)的定位算法中，局部定位技術(shù)要求信標節(jié)點數(shù)量多而且到處分 布能夠覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)，但在許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中節(jié)點的預(yù)先布置是不可能 的。 當定位算法為了追求更精確的定位時，必將進行循環(huán)求精階段，而這階段的 計算必將給網(wǎng)絡(luò)帶來大量的通信開銷，也將大量消耗傳感器節(jié)點的能量。 為使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的定位不依賴于外部設(shè)備，早期曾提出了一些集中 式的定位算法，如ＡｃｔｉｖｅＯｆｆｉｃｅ［叫，在辦公室天花板上有規(guī)則地擺放一些接收器 節(jié)點，再在每個被測物體上 固定一個無線電發(fā)送器，通過控制單元向這些接收器 節(jié)點發(fā)送輪詢信號，從而獲知各被測物體與節(jié)點間的距離范圍信息，再由這些信 息來估算它們的位置。但這里必須存 在大量信標 １０ 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 節(jié)點的要求又限制了它的應(yīng)用范圍。 Ｃｒｉｃｋｅｔ系統(tǒng)是麻省理工學院在2020年開發(fā)的最早的信標節(jié)點隨機撒布在建 筑物內(nèi)的系統(tǒng)。 ＡＨＬｏｓ系統(tǒng)是一個迭代的定位算法。孫學 斌唧】等人提出了一種無線傳 感器網(wǎng)中的目標定位算法，用以獲取在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視下的地理區(qū)域中移動 目標的位置。楊強１４ｌｌ等人提出一種 適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 通用三階段分布式定位結(jié)構(gòu)體系。以使得無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)能夠真正在實際生活中得到廣泛的應(yīng)用。只有在傳感器節(jié)點自身正確定位后，才能確 定傳感器節(jié)點監(jiān)測到的事件發(fā)生的具體位置，這需要監(jiān)測到該事件的多個傳感器 節(jié)點之間相互協(xié)作，并利用它們自身的位置信息，使用特定的定位機制，確定事 件發(fā)生的位置。信標節(jié)點是未知節(jié)點定位的參考點。 跳段距離（ｈｏｐｄｉｍｎｃｅ）：兩個節(jié)點之間間隔的各跳段距離之和，稱為兩節(jié)點 間的跳段距離。 接收信號強度指示（ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ，ＲＳＳＩ）；節(jié)點接收到無 線信號的強度大小，稱為接收信號的強度指示。 非視線關(guān)系（Ｎｏｎ－Ｌｉｎｅ－０ｆ－Ｓｉｇｈｔ，ＮＬＯＳ）：兩個節(jié)點之間有障礙物，不能夠直 接通信。信號衰減模型用公式表示如下： 即）叫磊）－１０．ｎ－ｌｏｇ時｛鬻囂ｍ －， 其中，Ｐ（ａ）、Ｐ（磊）分別表示在距離基站ｄ、噸處的信號強度，ｅ（ｄ）是接 收節(jié)點實際測得的信號強度ＲＳＳＩ，Ｐ（ｄｏ）一般可以距天線蟊米處的路徑衰減來 代替，其典型值為Ｐ（１１＝３０ｄＢ；力稱同層衰減指數(shù)，表示路徑長度和路徑損耗 之間的比例因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料，典型值為：辦公樓刀＝３．２５， 一般建筑珂＝２．７６，商場 ” ＝２．１８；ｎＷ表示節(jié)點和基站間墻壁個數(shù)，Ｃ表示信號 穿過墻壁的閾值；ＷＡＦ稱路徑損耗附加值，表示信號穿過墻壁或障礙物的衰減 因子，依賴于建筑的結(jié)構(gòu)和使用的材料，典型 值為：玻璃８ｄＢ，隔墻１０～１５ｄＢ， 預(yù)制板２０。因此，基于ＲＳＳＩ的測距應(yīng)視為一種租糙的測距技術(shù)，有可能產(chǎn)生 177。ＴＯＡ測距的基本思想是測量移動臺發(fā)射信 號的到達時間，并且在發(fā)射信號中要包含發(fā)射時間標記以便接收基站確定發(fā)射信 號所傳播的距離 ，該方法要求移動臺和基站的時間精確同步。該方法的缺點在于每個基站都必須增加一個位置測量單元 并且要做到時間同步，移動臺也需要與基站同步，整個網(wǎng)絡(luò)的初期投資將會很高； 發(fā)射信號中加上發(fā)射時間標記，會增加上 行鏈路的數(shù)據(jù)量，當業(yè)務(wù)量增大時網(wǎng)絡(luò) 的負擔會加重；即使在位置測量單元時鐘精度很高的情況下，到達時間的測量仍 然會受到多徑效應(yīng)的影響口１；如果移動臺無法和三個以上的位置測量單元或者 基站取得聯(lián)系，定位將會失敗；定位時間較長；由于要向多個基站發(fā)射信號，將 會增加移動臺的功耗。 ＴＤＯＡ定位法【１習的基本思想是在節(jié)點上安裝超聲波收發(fā)器和ＲＦ收發(fā)器，通 過記錄兩種不同信號在兩個節(jié)點中的傳播時間差，再考慮兩種信號的傳播速度， ｌ ● 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 由傳播時間差計算得到距離。 １．５．２．４ＡＯＡ（ＡｎｇｌｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ） 這是一種估算鄰居節(jié)點發(fā)送信號方向的技術(shù)。通過兩條直線相交從而產(chǎn)生定 位角。位置估計的精度依賴于發(fā)送器相對于接收器 的位置。在一個導(dǎo)航系統(tǒng)模型 中，也涉及到了類似的概念，它利用了一個光學資源集和一個旋轉(zhuǎn)光學傳感器來 獲取測量角度。的誤差確定接收信號的方向。 除了測距技術(shù)的局限性外，還需采用各種算法來減小測距誤差對定位精度的影 響，如多次測量、迭代求精等，進而產(chǎn)生額外的計算和通信開銷。在二維平面中，利 用兩個或更多信標節(jié)點的ＡＯＡ測量值，按照ＡＯＡ定位算法確定多條方位線的 交點，即可計算出未知節(jié)點的估計位置。 如圖ｌ－４所示，三邊測 量定位法的基本原理就是求三個己知半徑和坐標圓心的圓的交點。因此，在實 際計算坐標時，一般不采用上述解方程的方法，而采用極大似然估計法或其他數(shù) 值解法。一Ｚ一２（鉑－－Ｘｎ）Ｘ ＋丘。一Ｚ＋露一Ｚ：。 １、定位精度。然而， 由于傳感器節(jié)點大量部署的特性，對于許多應(yīng)用，定位的精度反而并不顯得十分 重要，當定位誤差小于傳感器節(jié)點無線通信半徑的４０％時，定位誤差對路由性能 和目標追蹤精確度的影響不會很大Ｉ刪。因此，信標節(jié) 點密度也是評價定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標之一。與功耗密切相關(guān)的因素主要有：計算量、通信開銷、存儲 開銷、時間復(fù)雜性等。許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響，如 ＤＶ．Ｈｏｐ［４８＂４９］，蛔ｈｏｕｓ州等算法僅可在節(jié)點密集部署的情況下合理估算節(jié)點 位置。但總會有一些不可達 或連通度極低（小于３）的未知節(jié)點存在，除這些節(jié)點，實現(xiàn)盡可能多的未知節(jié) Ｊ９ 浙江工業(yè)大學碩士學位論文 點的精確定位也是自身 定位算法和系統(tǒng)的追求目標之一。資金代價則包括實現(xiàn)一種 定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點設(shè)備的總費用。例如，ＲＡＤＡＲ 系統(tǒng)唧 僅能在建筑物的一層內(nèi)實現(xiàn)目標定位。由 于環(huán)境、能耗和其他原因，物理的維護或替換傳感器節(jié)點或使用其他高精度的測 量手段常常是十分困難或不可行的。 上述９個性能指標不僅是評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法的標準，也是其 設(shè)計和實現(xiàn)的優(yōu)化目標。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，從測量技術(shù)、定位形式、定 位效果、實現(xiàn)成本等方面考慮，節(jié)點定位算法可以用以下幾種方法進行分類。除上述測距技術(shù)的局限性以外， Ｒａｎｇｅ — Ｂａｓｅｄ定位機制使用各種算法來減小測距誤差對定位的影響，包括多次測 量州，循環(huán)定位求精［６５１，這些都要產(chǎn)生大量計算和通信開銷。信標節(jié)點ｊ的平均每跳距離 的計算公式如下： ｃＪ＝ 其中．，為其他信標節(jié)點，％為節(jié)點ｆ和節(jié)點，之間的跳數(shù)。 （二）絕對定位與相對定位 絕對定位的定位結(jié)果是一個標準的坐標位置，如經(jīng)緯度。大多數(shù)定位系統(tǒng)和算法都可以實現(xiàn)絕對 定 位服務(wù)，典型的相對定位算法和系統(tǒng)有ＳＰＡ（Ｓｅｌｆ－ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）定位算 法ＤＴｌ、ＬＰＳ（ＬｏｃａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔ如）定位算法Ｍ和ＳｐｏｔＯＮ定位算法１５明等，而 ＭＤＳ－ＭＡＰ定位算法【５３】可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的不同分別實現(xiàn)兩種定位。 粗粒度定位方法就是指根據(jù)一些粗粒度信息如通過與信標節(jié)點的接近程度 等來推斷節(jié)點位置的方法。 （五）集中式算法與分布式算法 集中式計算ｐｌ】是指把所需信息傳送到某個中心節(jié)點（例如，一臺服務(wù)器），并 在中心節(jié)點處進行節(jié)點定位計算的方式；分布式計算是 指依賴節(jié)點間的信息交換 和協(xié)調(diào)，由節(jié)點自行計算的定位方式。Ｎ．ｈｏｐｍｕｌｔｉｌａｔｅｒａｔｉｏｎｐｒｉｍｉｔｉｖｅ定位算法【醴】 可以根據(jù)應(yīng)用需求采用兩種不同的 計算模式。 定位技術(shù)的研究與發(fā)展在很大程度上決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的步伐，盡 管目前提出了很多研究方法，但一般都是在特定條件下來進行相關(guān)定位，真正實 現(xiàn)定位技術(shù)的發(fā)展還要進一步的深入研究。進而 論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點