【正文】 因?yàn)樾艠?biāo)節(jié)點(diǎn)要周期性的廣播坐標(biāo)信息，還要接收網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)廣播回來的跳數(shù)累加的廣播分組，故在GaussMarkov模型中，設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)周期為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播坐標(biāo)的周期，每當(dāng)計(jì)時(shí)器時(shí)間到，移動(dòng)暫停，廣播當(dāng)前位置信息，并接收各未知節(jié)點(diǎn)返回的跳數(shù)廣播分組，記錄在列表中，再繼續(xù)移動(dòng)定位算法過程信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，周期性地將位置信息廣播到網(wǎng)絡(luò)中，廣播的信息格式包括當(dāng)前運(yùn)動(dòng)到第幾個(gè)點(diǎn)，當(dāng)前位置坐標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)(初始化為0)，在移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信范圍的未知節(jié)點(diǎn)都接收到該位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)包。這些模型是自組織網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的模型，RWP模型對(duì)信標(biāo)的硬件要求小，路徑的隨機(jī)性大，并且隨著運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，運(yùn)動(dòng)軌跡出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)域的概率偏大。圖36 DVHop定位算法誤差來源分析 The resource of Localization error of DVHop (a). 選擇A1，A2和A3計(jì)算(a). Select A1, A2 and A3 to run trilateration algorithm(b) 選擇A3，A4和A5計(jì)算(b). Select A3, A4 and A5 to run trilateration algorithm圖37 選擇不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三邊定位計(jì)算示意 Select diffirent beacon nodes for trilateration calculating帶有定位裝置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝載在可移動(dòng)的平臺(tái)或移動(dòng)機(jī)器人上，就構(gòu)造了一個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，移動(dòng)信標(biāo)在一定規(guī)律的移動(dòng)過程中，可實(shí)時(shí)獲取自身位置，并周期性的廣播自身的位置信息，以幫助未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。假設(shè)從圖36中得到的5個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的列表中選擇三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包分組來進(jìn)行三邊定位計(jì)算，如果選擇不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，對(duì)計(jì)算的誤差是顯而易見的。如果按同樣的平均跳距離計(jì)算時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)N與A4和A5的距離是要小于它到其它節(jié)點(diǎn)的距離。即在其指定跳數(shù)范圍內(nèi)的未知節(jié)點(diǎn)會(huì)接收到這個(gè)平均跳距離的數(shù)據(jù)包。 DVHop定位算法平均跳距離計(jì)算誤差來源分析在運(yùn)行DVHop定位算法時(shí)，會(huì)先預(yù)定在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行洪泛的數(shù)據(jù)包的跳數(shù)，包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息的數(shù)據(jù)包只經(jīng)過預(yù)定的跳數(shù)。DVHop算法在網(wǎng)絡(luò)平均連通度為10，參考節(jié)點(diǎn)比例為10%的各向同性網(wǎng)絡(luò)中定位精度約為33%。仿真結(jié)果的比較如圖35所示。圖33定位誤差與定位覆蓋率 Localization error and Localization ratio信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播定位信息周期T的影響當(dāng)移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以參數(shù)一定的GaussMarkov模型運(yùn)動(dòng)時(shí)，廣播周期越小，則虛擬信標(biāo)越密，即單位區(qū)域內(nèi)虛擬信標(biāo)越多，必然導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)通信消耗的增大，誤差也增大。為了使仿真結(jié)果更接近實(shí)際的情況，仿真結(jié)果是經(jīng)過20次獨(dú)立仿真結(jié)果平均值獲得。加權(quán)因子體現(xiàn)的是各個(gè)虛擬信標(biāo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出來的平均跳距離值對(duì)未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算平均跳距離值的影響力，假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)N1接收到三個(gè)虛擬信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(A1,A2,A3)的平均跳距離值(D1,D2,D3)，而該節(jié)點(diǎn)查找表中所記的跳數(shù)值知道其距離三個(gè)虛擬信標(biāo)的跳數(shù)分別為：H1，H2，H3。這一過程與DVHop定位算法相似，不同的是，未知節(jié)點(diǎn)判斷接收到的是第幾號(hào)位的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播，如果為第一個(gè)就暫不廣播，直到接收到第二號(hào)位的信標(biāo)廣播時(shí)，再把一號(hào)位的定位信息包廣播出去，并保存接收到的二號(hào)位廣播，等待下一位的廣播后再發(fā)送，以此類推。因?yàn)樾艠?biāo)節(jié)點(diǎn)要周期性的廣播坐標(biāo)信息，還要接收網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)廣播回來的跳數(shù)累加的廣播分組，故在GaussMarkov模型中，設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)周期為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播坐標(biāo)的周期，每當(dāng)計(jì)時(shí)器時(shí)間到，移動(dòng)暫停，廣播當(dāng)前位置信息，并接收各未知節(jié)點(diǎn)返回的跳數(shù)廣播分組，記錄在列表中，再繼續(xù)移動(dòng)。S模型則對(duì)硬件的要求相對(duì)較高。帶有定位裝置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)裝載在可移動(dòng)的平臺(tái)或移動(dòng)機(jī)器人上，就構(gòu)造了一個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，移動(dòng)信標(biāo)在一定規(guī)律的移動(dòng)過程中，可實(shí)時(shí)獲取自身位置，并周期性的廣播自身的位置信息，以幫助未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。從圖中可知，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的比例與定位誤差成反正，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)越多，平均定位誤差和均方差越小。對(duì)于一些環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過人工部署大量位置已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是不實(shí)際的，而在網(wǎng)絡(luò)中布置一定比例的帶有GPS的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)則會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的定位成本。未知節(jié)點(diǎn)接收到平均每跳距離后，根據(jù)記錄的跳數(shù)，計(jì)算到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離。通過這個(gè)方法，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠記錄下到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。距離向量定位機(jī)制分為以下三個(gè)階段[36] ：第一階段：未知節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)。最后通過仿真證明此算法可以提高定位精度，減少算法的計(jì)算量，提高了定位的效率。同時(shí)也有許多學(xué)者研究了大量的方法來提高無需測(cè)距算法的精度，但也導(dǎo)致了無需測(cè)距算法復(fù)雜度和能量開銷的增大。提出了許多的定位機(jī)制和算法。在許多情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要知道自身的物理位置。該算法在DVHop定位算法的基礎(chǔ)上，利用一個(gè)移動(dòng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中按預(yù)定的路徑移動(dòng)并不斷的廣播自己的位置信息，形成多個(gè)虛擬信標(biāo)，未知節(jié)點(diǎn)記錄到每個(gè)虛擬信標(biāo)的跳數(shù)，并采用加權(quán)處理的方法計(jì)算平均跳距及其與各虛擬信標(biāo)的距離，最后利用三邊測(cè)量法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)精確定位?；谝苿?dòng)信標(biāo)改進(jìn)的DVHop定位算法主要在DVHop定位算法中引進(jìn)移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過在網(wǎng)絡(luò)中按預(yù)定的軌跡漫游并廣播自己的位置信息，通過在幾種不同的移動(dòng)模型中比較其定位精度，可見在更為合理的移動(dòng)模型下可以提高定位精度，降低了定位的網(wǎng)絡(luò)成本，提高了定位效率。鄰居節(jié)點(diǎn)通過交換各自接收到信號(hào)的強(qiáng)度判斷距離某一信標(biāo)的遠(yuǎn)近，從而模仿PIT中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。APIT定位算法APIT算法的理論基礎(chǔ)是最佳三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法PIT[5] 。該算法采用與DVHop類似的方法獲得距信標(biāo)的跳數(shù)。實(shí)際上的距離是AL1=15。那就是說，LL7三個(gè)距離的值。A是一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，L1,L2,L3之間的距離已知，分別為30，30和40。DVHop算法能夠計(jì)算出離信標(biāo)很遠(yuǎn)未知節(jié)點(diǎn)的位置。該算法由三個(gè)階段組成：首先，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲得距信標(biāo)的跳數(shù)；其次，當(dāng)獲得其它信標(biāo)位置和相隔跳距后，信標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，賦予其生存期，然后將這個(gè)帶有生存期的校正值在網(wǎng)絡(luò)廣播。目前，已有許多的研究者們提出眾多的無需測(cè)距的定位算法。理論信號(hào)強(qiáng)度與實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度曲線對(duì)比如下圖23所示： 圖25 RSSI自由空間模型Fig. 25 RSSI Free Space Model基于TDOA定位在基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的定位機(jī)制中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種傳播速度不同的信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差及已知的信號(hào)傳播速度，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距。對(duì)于所有d0=1米的室內(nèi)環(huán)境下以及距離的信號(hào)可以由自由空間路徑損耗方程得到，路徑的損耗指數(shù)n由環(huán)境變量和周圍的結(jié)果決定。 （） （） （） 大多數(shù)情況下，RSSI的測(cè)距采用自由空間模型，它是理論模型的一種。最簡(jiǎn)單的RSSI模型就是線性模型，它使用一對(duì)參數(shù)a和ｂ估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離，如式()。本文采用的射頻芯片是CC2420，它相對(duì)于CC1000，使用的范圍更廣。它是通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來的，芯片不同，RSSI的轉(zhuǎn)換方式也是不同的。目前，WSN網(wǎng)絡(luò)中無線通信芯片主要有兩種：CC1000和CC2420。 常用的Rangebase節(jié)點(diǎn)定位算法根據(jù)定位過程中是否測(cè)量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離，定位算法可分為：基于距離(RangeBased)的定位算法和距離無關(guān)(RangeFree)的定位算法[34] 。三角測(cè)量法原理如圖22所示，已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(xa,ya),(xb,yb)，(xc,yc)，節(jié)點(diǎn)D相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、B、C的角度分別為：ADB，ADC，BDC，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x，y)，D為圖22中三個(gè)圓的交點(diǎn)。圖23三邊測(cè)量法原理Fig. 23 Trilateration Method Principle但是在真實(shí)環(huán)境下三邊測(cè)量法存在巨大的缺陷，如圖36所示，實(shí)際上測(cè)量得到的3個(gè)距離RP1，RP2，RP3存在著誤差，導(dǎo)致以RP1，RP2，RP3為半徑建立的3個(gè)圓并不是相交于一點(diǎn)，而是相交于一個(gè)區(qū)域。極大似然估計(jì)多邊測(cè)量[33] 就采用了上面的方法，已知n個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(X1,Y1)，(X2,Y2)，(X3,Y3)，….，(Xn ,Yn )，它們到未知節(jié)點(diǎn) D 的距離分別為dl，d2，d3，….，dn，假設(shè)節(jié)點(diǎn) D的坐標(biāo)為(X，Y)。所以基于移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法成為近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。這種定位算法需要預(yù)先定位信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，否則無法正常運(yùn)行，另外為了減小定位誤差，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目還須足夠多。AFL算法是完全分布式的節(jié)點(diǎn)定位方法。這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)以主節(jié)點(diǎn)i為坐標(biāo)原點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域，并隨掃A擇兩個(gè)與i相鄰的從節(jié)點(diǎn)為輔助節(jié)點(diǎn)對(duì)，構(gòu)建一個(gè)局部坐標(biāo)系。首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的測(cè)距結(jié)果在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上建立局部坐標(biāo)系統(tǒng)，通過節(jié)點(diǎn)間的信息交換與協(xié)調(diào)，以參考點(diǎn)為基準(zhǔn)通過坐標(biāo)變換逐步建立全局坐標(biāo)系統(tǒng)。但研究發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)定位的基礎(chǔ)上也能夠?qū)崿F(xiàn)部分路由協(xié)議，尤其是基于地理位置的路由(georouting)，而且相對(duì)定位不需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。仿真證明，相對(duì)于MCL算法，基于VWMC的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法提高了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位的精度和效率。圖22傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Fig. 22 Sensor Network Nodes 黎大鵬在文獻(xiàn)[29] 中研究了基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位算法。圖21傳感器移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig. 21 Sensor Network Mobile Nodes Structure根據(jù)此模型設(shè)計(jì)制作的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)如下圖22所示。構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中的成本、數(shù)量、通信方面存在的諸多問題，主要需要考慮以下幾個(gè)方面：低成本：系統(tǒng)必須是低成本，不僅從節(jié)點(diǎn)硬件、軟件考慮，而且傳感器也必須采用相對(duì)價(jià)格低的產(chǎn)品；低功耗：系統(tǒng)中采用普通AAA電池供電，所以要求網(wǎng)絡(luò)必須是低功耗的，保證網(wǎng)絡(luò)的生命周期盡量長(zhǎng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)信息需實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦芾矸?wù)器，方便用戶實(shí)時(shí)查詢；網(wǎng)關(guān)無線通信：由于監(jiān)測(cè)區(qū)域的特殊性，不一定存在有線網(wǎng)絡(luò)，例如：Internet、有線局域網(wǎng)等，故網(wǎng)關(guān)具有把采集的環(huán)境信息無線傳輸?shù)椒?wù)器的功能，不受監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響；精度：傳感器決定了采集數(shù)據(jù)的精度，傳感器采集數(shù)據(jù)的精度可以在規(guī)定范圍內(nèi)存在一定程度的誤差；傳感器接口靈活：系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)的不同采用不相同的接口，傳感器的類型也需根據(jù)實(shí)際需要而定，因此節(jié)點(diǎn)的傳感器接口需靈活設(shè)定。不基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位方法屬于相對(duì)定位，基于信標(biāo)的定位算法可以得出未知節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)。第3章 研究基于移動(dòng)信標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位算法，將移動(dòng)信標(biāo)引入到DVHop定位算法中，提出了基于移動(dòng)信標(biāo)的DVHop定位算法和基于移動(dòng)信標(biāo)動(dòng)態(tài)選擇的改進(jìn)DVHop定位算法，同時(shí)分析了改進(jìn)算法在特定移動(dòng)模型下的定位精度。結(jié)合基于移動(dòng)信標(biāo)改進(jìn)的DVHop定位算法，提出了基于ROI(region of interest)的移動(dòng)信標(biāo)的路徑規(guī)劃方法，并把圖論引入信標(biāo)移動(dòng)路徑規(guī)劃，獲取針對(duì)所處網(wǎng)絡(luò)連通狀況的優(yōu)化信標(biāo)移動(dòng)路徑，提高算法的定位精度，減少算法定位過程的通信開銷，提高算法的效率。研究的內(nèi)容主要如下：分析歸納常用的無需測(cè)距的定位算法和基于信標(biāo)的定位算法，研究基于信標(biāo)的定位算法的定位機(jī)制，研究利用移動(dòng)信標(biāo)的信息來進(jìn)行定位計(jì)算。這樣的算法顯然不能最大限度的節(jié)約節(jié)點(diǎn)的能耗，對(duì)于嚴(yán)格要求能源的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來說，必然需要更為優(yōu)化及適用于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的路徑規(guī)劃算法來使節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑盡可以少，減少?gòu)V播的信息來減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信消耗。對(duì)于移動(dòng)信標(biāo)的移動(dòng)路徑的規(guī)劃也是一個(gè)重要的問題，本文進(jìn)行了初步的研究。它們就等同于信標(biāo)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)信標(biāo)的定位方法及信標(biāo)的移動(dòng)路徑的規(guī)劃研究處于起步階段，相關(guān)的文獻(xiàn)并不多，提出的算法也不夠成熟，文獻(xiàn)[25] 和[26] 提出的定位方法只需要一個(gè)可以移動(dòng)的信標(biāo)，其中文獻(xiàn)[25] 利用TOA測(cè)距技術(shù)和質(zhì)心法來計(jì)算待定位節(jié)點(diǎn)位置，文獻(xiàn)[26] 不需要復(fù)雜的測(cè)距技術(shù)，而是通過信標(biāo)的不斷運(yùn)動(dòng)并利用幾何限制關(guān)系來計(jì)算待定位節(jié)點(diǎn)位置。典型的無需測(cè)距的定位算法有DVHop定位算法，APIT定位算法、質(zhì)心定位算法、Amorphous定位算法等，它們所需的網(wǎng)絡(luò)模型都是由參考節(jié)點(diǎn)和未知位置的節(jié)點(diǎn)組成。所以移動(dòng)信標(biāo)的定位算法近來成為新的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了許多的研究，基于移動(dòng)信標(biāo)的定位算法主要研究問題是如何將移動(dòng)信標(biāo)與現(xiàn)在的定位算法結(jié)合，研究構(gòu)造的虛擬信標(biāo)的動(dòng)態(tài)選擇算法及移動(dòng)信標(biāo)的移動(dòng)路徑的規(guī)劃。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀基于移動(dòng)信標(biāo)的定位算法是近年來的研究熱點(diǎn)。免測(cè)距的定位算法不需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，而是利用距離矢量路由、網(wǎng)絡(luò)連通情況或者GPS定位等思想提出的一種分布式定位方法，無需測(cè)距，這無疑降低了組網(wǎng)成本。而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可以增強(qiáng)其功能。雖然節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使定位過程復(fù)雜化，但是利用節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性可提高定位精度，減少定位代價(jià)。目前基于距離的定位算法都是利用靜態(tài)的幾何關(guān)系來確定節(jié)點(diǎn)位置，且對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布置和密度要求高，如三邊、多邊測(cè)量定位、基于角度測(cè)量定位等算法，都需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)至少獲得3個(gè)或者3個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供的坐標(biāo)和距離[13] 。前者需要測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位，然后利用該實(shí)際距離來確定未知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置；后者則僅利用節(jié)點(diǎn)間距離關(guān)聯(lián)關(guān)系計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置。傳感器節(jié)點(diǎn)自身定位就是一種通過估計(jì)至鄰居節(jié)點(diǎn)的距離或鄰居數(shù)目，利用節(jié)點(diǎn)間的信息交換來確定各節(jié)點(diǎn)自身位置的機(jī)制。只有在傳感器節(jié)點(diǎn)自身正確定位后，才能確定傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的事件及信息發(fā)生的具體位置[3]