【正文】 本文對己有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無需測距技術(shù)節(jié)點(diǎn)定位算法進(jìn)行了深入的研 究，跟蹤了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的無需測距 節(jié)點(diǎn)定位算法，最后設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)并在實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)定 位算法。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：通過使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)分布式計算，便于系統(tǒng)擴(kuò) 展：如果系統(tǒng)允許采用集中計算方式，使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以為定位算法提供更多的 信息，從而提高定位準(zhǔn)確度。它的缺點(diǎn)包括與中心節(jié)點(diǎn)位置較近的節(jié)點(diǎn)會 因?yàn)橥ㄐ砰_銷大而過早地消耗完電能，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)與中心節(jié)點(diǎn)信息交流的中 斷，無法實(shí)時定位等㈣。 （四）基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法和無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法 根據(jù)定位過程中是否使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，可以把定位算法分為：基于信標(biāo) 節(jié)點(diǎn)的 （ｂｅａｃｏｎ－ｂａｓｅｄ）定位算法和無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的（ｂｅａｒ．ｏｎ．ｆＴｅｅ）定位算法。 ２ｌ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 精粒度定位方法是指基于 時間或是接收信號強(qiáng)弱的一些方法。絕對定位可為網(wǎng) 絡(luò)提供唯一的命名空間，受節(jié)點(diǎn)移動性影響較小，有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。ＤＶ－Ｈｏｐ算法Ｄ８－４９］、凸規(guī)劃算 法【ｓ，５１】和ＭＤＳ．ＭＡＰ算法【５３ｌ 等都是典型的Ｒａ／ｌｇｃ．Ｆｒｅｅ定位算法。 Ｒａｎｇｅ．Ｆｒｅｅ定位技術(shù)則無需距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性等信息即可 實(shí)現(xiàn)。 Ｒａｎｇｇ．Ｂａｓｅｄ定位常用的測距技術(shù)有接收信號強(qiáng)度０ ≈ ＳＳＬ）技術(shù)、信號傳輸時間 （ＴＯＡ）技術(shù)、信號到達(dá)時間差（ＴＤＯＡ）技術(shù)和信號到達(dá)角度（ＡＯＡ）技術(shù)。 同時這些 性能指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，必須根據(jù)應(yīng)用的具體需求做出權(quán)衡，以選擇和 設(shè)計合適的定位技術(shù)。 ９、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性。通常，定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信 環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。不同的定位系統(tǒng)或算法的適用環(huán)境可以是在園區(qū)內(nèi)、 建筑物內(nèi)、一層建筑物或僅僅是一個房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。時間代價包括 一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間。覆蓋率定義為可實(shí)現(xiàn)定位的未知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn) 總數(shù)的比例。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi) 用的增加，而且會因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的通信沖突問題 帶來有限帶寬的阻塞。功耗問題始終是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)首要的考慮因素。 ２、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度。例如，定位精度為２０％表示定位誤差相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)通信半 徑的２０％。 １．５．４節(jié)點(diǎn)定位算法性能評價標(biāo)準(zhǔn) 國外的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)提出了許多專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。－ｙ，）ｙ－－砟，一砰 方程組（１－６）用線性方程組表示為：ＡＸ＝ｂ，其中 ｆｂ一矗）（Ｙｌ－炸）１ 肚ｌ㈡Ｉ（１－７） ｌ（ ‘ ．１－毛）（咋一一只）Ｊ ｂ＝ ＃一《十開一Ｚ＋露一彳 ｉ 靠。極大似然估計 法的原理如圖１ — ５所示。 如圖ｉ－ ４所示，假設(shè)三個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Ａ、Ｂ、Ｃ的坐標(biāo)分別為 “ ，乃）、（而，咒）、 （而，乃），到未知節(jié)點(diǎn)Ｄ的距離分別為４、杰、嗚，假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)Ｄ的坐標(biāo)為（ｘ，），）， 根據(jù)二維空間距離計算公式，可以獲得方程組： Ｉ √ （ｚ一而）２＋（ｙ一乃）２＝４ ｛ √ ０一而）２＋（ｙ一坎）２＝如（１．３） Ｉ √ （石一而）２＋ ◇ 一乃）２＝以 在方程組（１－３）中，ｘ、ｙ是未知變量，這是一個非線性方程組，采用線性 化的方法就可以求解。 １．５．３．２三邊測量法 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，坐標(biāo)系大多是二維空問，因此，只要知道了一個未知 節(jié)點(diǎn)到三個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離就可以確定該未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 １．５．３．１三角測量法 三角測量定位方法也稱為信號到達(dá)角度（ＡＯＡ）定位法或方位測量定位法口川。同時，ＡＯＡ需要額 外硬件，在硬件尺寸 和功耗上都不適用于傳感器節(jié)點(diǎn)。除定位外，還能提供節(jié)點(diǎn)的方向信息，如ＭＩＴ的ＴｈｅＣｒｉｃｋｅｔＣｏｍｐａｓｓ 等項(xiàng)目【 ” ｌ中就利用多個接收器提出了基于ＡＯＡ的硬件解決方案，其原型系統(tǒng)可 在 “ ｏ．角內(nèi)以 177。因此通常采用多于兩個的接收器來提供定位精度。另外，ＡＯＡ技術(shù)要建立 在智能天線的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)。該測量技術(shù)將距 離的測量轉(zhuǎn)換為角度的測量，未知節(jié)點(diǎn)可通過天線陣列或多個接收器結(jié)合來感知 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號的到達(dá)方向，計算兩個節(jié)點(diǎn)之間的相對方位角，最后通過三角測量 法計算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時發(fā)出兩種不同的信號，如射 頻信號傳播速度為ｙ１，超聲波信號傳播速度為如，接收節(jié)點(diǎn)收到兩種信號的時間 差為 △ ｒ，則計算得出兩節(jié)點(diǎn)間距離ｄ＝Ａｔｊ二蘭。若使用超聲波作為信號 源則可在一定程度上解決這一問題，然而超聲波傳播距離非常有限，同時易受干 擾，需要增加聲學(xué)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，并且兩者需要處于直線可視范圍內(nèi)，易受非 視距傳播的影響。 ＴＯＡ定位法是一種基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。 １．５．２．２ＴＯＡ（ＴｉｍｅｏｆＡｒｄｖａｌ） 該技術(shù)是采用信號到達(dá)時間【１３］來測量距離的，是一種基于電波傳輸時間的 定位技術(shù)。 由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身具備無線通信能力，通信控制芯片通常會提供測量 ＲＳＳＩ的方法，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播自身坐標(biāo)的同時即可完成ＲＳＳＩ的測量，故而是一 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 種低功率、低代價的測距技術(shù)。考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，測距方法不 應(yīng)增 加額外的硬件，同時又需要保證一定的精度。 網(wǎng)絡(luò)的平均連通度：平均鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。 到達(dá)時間（ＴｕｎｅＯｆＡｒｒｉｖａｌ，ＴＯ Ａ）：信號從一個節(jié)點(diǎn)傳播到另一個節(jié)點(diǎn)所需要 的時間，稱為信號的到達(dá)時間。 鄰居節(jié)點(diǎn)（ｎｅｉｇｈｂｏｒｎｏｄｅｓ）：在傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)，可直接相互通信的節(jié) 點(diǎn)，稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。 １．５．１無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位專業(yè)術(shù)語 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中，把需要定位的節(jié)點(diǎn)稱為未知節(jié)點(diǎn) （ｕｎｋｎｏｗｎｎｏｄｅ）；而通過人工部署或ＧＰＳ定位系統(tǒng)獲知自身位置，并協(xié)助未知節(jié) 點(diǎn)定位的節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)（ａｎｃｈ００或參考節(jié)點(diǎn)（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｐｏｉｎｔ），也稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn) （ｂｅａｃｏｎ）。隨機(jī)布撒的傳感器節(jié)點(diǎn)無法事先知道自身位置，因此傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在 布置之后實(shí)時地進(jìn)行定位。 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 從對上述ＷＳＮ定位研究成果的比較發(fā)現(xiàn)，沒有一種定位方案能在有效減少 通信開銷、降低功耗、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時獲得較高的定位精度。王永才［３９１等人介紹了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中， 應(yīng)用ＴＤＯＡ測距技術(shù)和基于幾何關(guān)系的節(jié)點(diǎn)自身定位算法，并在Ｍｉｃａ２系統(tǒng)上 實(shí)現(xiàn)了該算法。這個過程一直重復(fù)到所有節(jié)點(diǎn)都計算出自身的位置。該定位系統(tǒng)利用射頻信號與超聲波信號到達(dá)時間間隔和各自的 傳播速度，計算出未知位置節(jié)點(diǎn)到已知位置節(jié)點(diǎn)的距離。 微軟的ＲＡＤＡＲ系統(tǒng)是基于ＩＥＥＥ８０２．１１無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種室內(nèi)定位系 統(tǒng)。 接下來又有人提出了采用參考節(jié)點(diǎn)的方法，即在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置一定 數(shù)量的已知其自身位置的節(jié)點(diǎn)，作為其它位置未知節(jié)點(diǎn)用來計算自身位置的參 考。傳感器節(jié) 點(diǎn)的微型化和有限的電池供電能力使其在節(jié)點(diǎn)硬件的選擇上受到很大限制，低功 耗是其最主要的設(shè)計目標(biāo)。針對這些問題目前還沒有真正的解決方法。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法通常需要具備以下特點(diǎn)： （１）自組織性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，不依賴于全局基礎(chǔ)設(shè)施 協(xié)助定位； （２）健壯性：傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置低，能量有限，可靠性較差，定位算 ９ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 法必須能夠容忍節(jié)點(diǎn)失效和測距誤差： （３）節(jié)能性： 盡可能地減少算法中計算的復(fù)雜度，減少節(jié)點(diǎn)問的通訊開銷， 以盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。所以，ＧＰＳ不適用于低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的位置發(fā)現(xiàn)是很具挑戰(zhàn)性的一個問題。此外，在災(zāi)難拯救、倉庫管理、交互式博物館、 交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線、車輛防盜系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都 將會孕育出全新的設(shè)計和應(yīng)用模式。 （４）空間探索 探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助航天器布撤無線傳感器節(jié)點(diǎn) 來實(shí)現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。 如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，利用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護(hù)病人的病情【２他８】，一 旦發(fā)生危機(jī)情況可第一時間進(jìn)行救助。ＡＬＥＲＴ系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來監(jiān)測降雨量、河水水位監(jiān) 測瞄Ｊ，并依此預(yù)測爆發(fā)山洪的可能性。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自 組織性和容錯能力使其不會因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中被損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng) 的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的，也正是這一點(diǎn)，使無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān) 視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評估損失，偵察和探測核、生 物和化學(xué)攻擊。因此，目前研究人員致力于開發(fā)新的能量效率高的 路由技術(shù)。因此，ＷＳＮ節(jié)點(diǎn)的操作系 統(tǒng)應(yīng)滿足要求小代碼量、模塊化、低功耗、并發(fā)操作等要求。超 寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù) 雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 （５）無線通信技術(shù) ＷＳＮ需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)。 （４）網(wǎng)絡(luò)安全 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而且要進(jìn)行數(shù) 據(jù)采集和融合、任務(wù)的協(xié)同控制等。傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束， ６ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量。由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在資源有限、隨機(jī)部署、通信易 受環(huán)境干 擾甚至節(jié)點(diǎn)失效等特點(diǎn)，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高 效、分布式計算等要求。節(jié)點(diǎn) 定位功能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用中都起著至關(guān)重要的作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信帶寬 較低，大部分節(jié)點(diǎn)長期休眠，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化。 １．２．３無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng) 域，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，目前研究的難點(diǎn)涉及通信、組網(wǎng)、管 理、分布式信息處理等多個方面。負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。數(shù)據(jù)處理單元是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計算核心，通常選 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 用嵌入式ＣＰＵ。 圖ｌ－２傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 （１）數(shù)據(jù)采集模塊。ＵＣＢｅｒｋｅｌｅｙ在進(jìn)行 ＬｌＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）項(xiàng)目１２１倒的外場測試時便采用了這種方式。 ● 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 １．２．２傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（ｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅ），匯聚節(jié)點(diǎn)（ｓｉｎｋｎｏｄｅ） 和管理節(jié)點(diǎn)。 （６）安全性較差。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾百米范圍 內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居階節(jié)點(diǎn)直接通信。 （４）電源能量決定網(wǎng)絡(luò)壽命。 （３）節(jié)點(diǎn)通信能力有限。 （２）傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強(qiáng)。無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)是在ＭＥＭＳ技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，傳感器節(jié)點(diǎn)各部分集成 度很高，因此具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)本 身的不確定性（容易失效、不穩(wěn)定性、能量的有限性）及傳感器節(jié)點(diǎn)的規(guī)模（數(shù) 量、密集程度）等問題決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)（信息）為中心的，因此 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 只考慮信息的獲取，對網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點(diǎn)本身的狀況較少考慮。它是由隨機(jī)分布的集成 有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式 構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借 助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷 達(dá)和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、 移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對所在環(huán)境的 監(jiān)測。 節(jié)點(diǎn)的位置信息除了用來報告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還具有下列用途：目標(biāo)跟 蹤嘲，實(shí)時監(jiān)測目標(biāo)的行動路線，預(yù)測目標(biāo)的前進(jìn)軌跡：對位置信息的了解可以 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理；利用節(jié)點(diǎn)傳回的位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑辏埂?，? 實(shí)時統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況［１０－ＨＪ，向部署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空 間Ｅ１２－１４１，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡［１５－１６Ｊ和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲谩?Ⅲ ，以對節(jié)點(diǎn)密度低的 區(qū)域采取必要的措施。 節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合它們的被測量位置才有意義，沒有位置信息的數(shù)據(jù) 幾乎是沒有利用價值的數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代 網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感 器協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對 信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳 送到用戶終端。 由于被監(jiān)測區(qū)域通常是人員無法到達(dá)的區(qū)域，所以在部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)時 通常具有不可控制性，例如用飛機(jī)將傳感器節(jié)點(diǎn)布撤到指定的區(qū)域中。對 于這些問題，傳感器節(jié)點(diǎn)必須首先知道自身的地理位置信息，這是進(jìn)一步采取措 施和做出決策的基礎(chǔ)。我國在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研 究工作還比較少。美國國防部和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視，把傳感器 網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起始于２０世紀(jì)９０年代末期。無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)是由大量能與物理環(huán)境進(jìn)行