【正文】 新版本 又作了更精細(xì)的改進(jìn)，相對于 版本，新版本增加了許多新功能，主要表現(xiàn)在以下幾方面： ? 增強(qiáng)了。不久，他們成立了 MathWork 軟件開發(fā)公司并將 Matlab 正式推向市場。 與 Fortran 語言和 C 等高級語言比較， Matlab 的語法規(guī)則更簡單，更重要的是它貼近人思維方式的編程特點(diǎn)，使得用 Matlab 編寫程序猶如在便 箋上列公式和求解。其內(nèi)容涉及矩陣代數(shù)、微積分、應(yīng)用數(shù)學(xué)、有限元法、科學(xué)計(jì)算、信號與系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析及其應(yīng) 用、數(shù)學(xué)圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、電子線路、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制與通信技術(shù)、物理、力學(xué)、和機(jī)械振動(dòng)等方面。 圖 DVdistance 算法流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 網(wǎng)絡(luò)初始 調(diào)用 DVdistance（ typt） 節(jié)點(diǎn)剩余能量 E0 保存多次測量結(jié)果進(jìn)行由大 到小排序 延時(shí) 最小值是否為 0 迭加 返回 Y N 網(wǎng)絡(luò)總體流程圖如下： 圖 網(wǎng)絡(luò)總體流程圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 錨節(jié)點(diǎn)模塊流程圖如下： 圖 錨節(jié)點(diǎn)模塊流程圖 定時(shí)廣播錨節(jié)點(diǎn)信息 接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他錨節(jié)點(diǎn)信息 是否第一次收到某錨節(jié)點(diǎn)信息 判斷跳數(shù)是否小于已存跳數(shù) 丟棄該數(shù)據(jù) 將接收到的信息存入錨節(jié)點(diǎn)信息表 更新錨節(jié)點(diǎn)信息表中的跳數(shù) 錨節(jié)點(diǎn)信息表中的錨節(jié)點(diǎn)是否大于 2 計(jì)算平均每跳距離并廣播 N Y Y N Y N 初始化 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 未知節(jié)點(diǎn)模塊流程圖如下： 圖 未知節(jié)點(diǎn)模塊流程圖 MATLAB仿真環(huán)境簡介 Matlab 是近幾年來在國外廣泛流行的一種可視化科學(xué)計(jì)算軟件，它不但具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)值計(jì)算高效、圖形功能完備和圖像處理方便的特點(diǎn)，還具有符號計(jì)算、文字處理、可視化仿真和實(shí)時(shí)控制能力，該軟件已經(jīng)成為適合多學(xué)科、多部門要求的新一代應(yīng)用軟件。 DVdistance 算法利用距離矢量路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)在接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信標(biāo)消息時(shí)判斷出自身與該錨節(jié)點(diǎn)相隔的跳數(shù) 。節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭部的目的地址來查找路由表，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳所指定的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自 己的路由表，同時(shí)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的居節(jié)點(diǎn)的路由廣播來更新自己的路由表。 距離矢量 交換 協(xié)議，是簡單路徑的分布式路由算法。洪泛協(xié) 議 的缺點(diǎn)是容易引起信息重疊，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。 洪泛協(xié)議，是最簡單的路由協(xié)議，此協(xié)議中沒有任何路由算法。 具體實(shí)現(xiàn)見第 3 章的“ DVdistance” 算法部分 。通過這一機(jī)制就避免了廣播信息的無限循環(huán)，并得到了未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)和累計(jì)跳段距離。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 4 基于 MATLAB 的 DVdistance 測距算法性能分析 DVdistance 定位算法 算法簡述 該算法由兩個(gè)階段組成：第一階段利用洪泛協(xié)議，使未知節(jié)點(diǎn)獲得錨節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送的信息分組，其中包括最小跳數(shù)和累計(jì) 跳段 距離。 上述七個(gè)性能指標(biāo)，即是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。 規(guī)模：不同的節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)或算法也許可在園區(qū)內(nèi)、建筑物內(nèi)、一層建筑物或僅僅是一個(gè)房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位?？臻g代價(jià)包括一個(gè)定位算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件尺寸等。 代價(jià)：節(jié)點(diǎn)定位算法的代價(jià)可從幾個(gè)不同方面來評價(jià)。 功耗、代價(jià)與規(guī)模 功耗：功耗是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)影響最大的因素之一。由于環(huán)境、能耗和其他原因，物理地維護(hù)或替換傳感器節(jié)點(diǎn)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。節(jié)點(diǎn)定位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。因此，參考節(jié)點(diǎn)密度也是評價(jià) 定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。人工部署參考節(jié)點(diǎn)的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制，還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。許多定位算法的精度都受節(jié)點(diǎn)密度的影響。 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(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。也用誤差值與節(jié)點(diǎn)無線射程的比例表示定位精度，例如，定位精度為 15%表示定位誤差相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)無線射程的 15%。如圖所示，未知節(jié)點(diǎn) U與錨節(jié)點(diǎn) AA A A4 的估計(jì)歐氏距離分別 表示 為： DU， 1→ DU， 2→ DU， 3→ DU， 4→ 6，就可以建立方程組求解未知節(jié)點(diǎn) U的位置了。其他的錨節(jié)點(diǎn) A A A4到未知節(jié)點(diǎn)的累計(jì)跳段距離也同理可得： 2+ 2+2+2 。 首先，利用“洪泛”的方式，鋪節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò) 周期性地廣播包含跳段和累計(jì)跳段距離（均初始化為 0）的自身位置信標(biāo)，收到信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)只記錄到相應(yīng)描節(jié)點(diǎn)具有最小跳數(shù)路徑上傳遞過來的信息，并累加該最短路徑上的所有跳段距離，然后該節(jié)點(diǎn)將跳數(shù)加 1轉(zhuǎn)發(fā)信標(biāo)，最后，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都能得到相應(yīng)錨節(jié)點(diǎn)的最短路徑累計(jì)跳段距離。 DVDistance 算法 DVdistance 算法類似于 DVHop 算法，它們之間的區(qū)別在于， DVHop 算法是通過節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離和跳數(shù)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，而 DVdistance 算法是通過節(jié)點(diǎn)間 使用射頻通信來測量出節(jié)點(diǎn)間的距離，即使用 RSSI 測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)距離 ,然后利用距離矢量路由的方法傳播與鋪節(jié)點(diǎn)的累計(jì)距離 ,未知節(jié)點(diǎn)只保留到相應(yīng)描節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)路徑的累計(jì)跳段距離 ,并用該路徑的累計(jì)跳段距離表示歐式距離 ,當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與 3個(gè)或更多鋪節(jié)點(diǎn)的距離后使用三邊測量法或最大似然法定位。 DVHop 算法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，無需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的距離測量，可以避免測量時(shí)帶來的誤差，傳感器節(jié)點(diǎn)不需要其他的附加硬件支持，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的一個(gè)較經(jīng)濟(jì)可行的方案。 第三個(gè)階段：完成待定位節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。 第一個(gè)階段：計(jì)算待定位節(jié)點(diǎn)與每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)。 圖 質(zhì)心算法示例 2 、 DVHop 算法 該算法是基 于距離矢量計(jì)算跳數(shù)的算法。 質(zhì)心算法完全基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)過程較為簡單，計(jì)算量小，不需要網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的較復(fù)雜的協(xié)調(diào)，擴(kuò)展性好。 錨節(jié)點(diǎn)廣播 自身信息信標(biāo) 開始 未知節(jié)點(diǎn)接收鄰居 節(jié)點(diǎn)信標(biāo)、 RSSI 值 接收到的鄰居錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量 =3 利用信道模型 轉(zhuǎn)換 RSSI 值為距離 三邊測量法或最 大似然法計(jì)算估計(jì)坐標(biāo) 終止 no 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量yes 6 )( fedcba xxxxxxx ??????6 )( fedcba yyyyyyy ??????沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 P（ x,y） A B C D E F 在監(jiān)測區(qū)域中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向相鄰的節(jié)點(diǎn)周期性地廣播自身的信息，消息中包 含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識編碼和位置數(shù)據(jù)。 平面上一個(gè)多邊形的質(zhì) 心是指它的幾何中心，多邊形的質(zhì)心坐標(biāo)就是多邊行各頂點(diǎn)的坐標(biāo)平均值。 基于 RSSI 的定位算法的定位過程描述如下： 步驟 1：錨節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中周期性地廣播自身信息信標(biāo) ,信標(biāo)中包含錨節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn) ID和自身位置信息； 步驟 2：未知節(jié)點(diǎn)接收到鄰居錨節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)和 RSSI 測量值，然后根 據(jù)信道傳播模型計(jì)算到相應(yīng)錨節(jié)點(diǎn)的距離； 步驟 3：未知節(jié)點(diǎn)如果總共接收到 3 個(gè)或以上的不同錯(cuò)節(jié)點(diǎn)的信息，利用三邊測量法或最大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。該參數(shù)為傳輸距離為 d0時(shí)的接收功率。該經(jīng)驗(yàn)公式通過附加一個(gè)隨機(jī)的對數(shù)正態(tài)值來代替所有的干擾項(xiàng)。 （ ） 自由空間路徑損耗模型只是一個(gè)理論公式，在實(shí)際的應(yīng)用中信號的傳播受反射，衍射和散射的影響，當(dāng)然環(huán)境因素包括建筑物，天氣，室內(nèi)或者室外的不同也會(huì)給信號的傳播造成不同的影響。在自由空間中，在各項(xiàng)條件都相同的情況下， RSSI 變化與接收端和傳輸端之間距離的平方成反比。所以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位領(lǐng)域中，該技術(shù)比起其他的測距技術(shù)來說，有較廣的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。協(xié)作多邊算法為：經(jīng)過多次迭代定位后，待定位節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量仍然不足 3 個(gè)，此時(shí)要依托多跳的局部信息（即通過其他節(jié)點(diǎn)的協(xié)助）來計(jì)算自身的位 置。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)的相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到 3 個(gè)或 3 個(gè)以上時(shí)，使用最大似然估計(jì)法完成未知節(jié)點(diǎn)的定位算法。這里所講的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)是指傳感器網(wǎng)絡(luò)部署完畢后初始的情況，即還沒有執(zhí)行過定位算法之前的情況，因?yàn)橹灰獔?zhí)行了定位算法，一部分待定位節(jié)點(diǎn)就可能轉(zhuǎn)化成了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。 根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中待定位節(jié)點(diǎn)周圍信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的分布情況不同， AHLos 算法定義了三種不同的子算法。在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是 3 個(gè)或 3 個(gè)以上，就使用最大似然估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算法來計(jì)算待定位節(jié)點(diǎn)的位置信息。 基于 TDOA 的定位算法之一的 AHLos(Ad Hoc Localization System)算法是一個(gè)迭代的定位算法。 基于 TDOA 的定位算法之一的 AHLos 算法 基于 TDOA 的定位算法是指“到達(dá)時(shí)間差定位（ TDOA， Time difference of Arrival）無線收發(fā)模式 微處理器 聲波射束發(fā)射模塊 無線收發(fā)模塊 微處理器 聲波射束接收模塊 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 算法”。 節(jié)點(diǎn)在計(jì)算出相鄰的多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和自己的距離后，通過幾何關(guān)系就可以 對自身進(jìn)行定位。 圖 一 個(gè)使用聲波發(fā)送和接收進(jìn)行測距定位的裝置 節(jié)點(diǎn) 1 通過聲波射束發(fā)射模塊發(fā)出聲波射束，節(jié)點(diǎn) 2 接收到聲波射束，已知聲波射束的傳輸速度和從發(fā)射到接收所用時(shí)間（即聲波射束的傳播時(shí)間） ,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離就已經(jīng)測出。該方法計(jì)算量小、算法簡單，且定位精度 高。 基于 TOA 的定位 通過掌握已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時(shí)間來計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離，對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的算法稱為基于 TOA（ time of arrival）的定位算法。 一般情況下，待定位節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)不都是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，因此，待定位節(jié)點(diǎn)就不能與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信獲取兩者之間的方向角。 AOA 定位法使用的硬件系統(tǒng)設(shè)備較為復(fù)雜。該技術(shù)在兩個(gè)以上的位置點(diǎn)設(shè)置方向性天線或陣列天線，獲取節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線電波角度，通過陣列天線或多個(gè)接收器結(jié)合確定相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號的方向，從而構(gòu)成一根從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的方位線，兩根方位線的交點(diǎn)即 為待定位節(jié)點(diǎn)的位置，一種 AOA 定位法的情況如圖 所示，待定位節(jié)點(diǎn)得到與參考節(jié)點(diǎn) 1 和參考節(jié)點(diǎn) 2 所構(gòu)成的角度之后，通過交匯法確定自身位置。如果同時(shí)性地處理節(jié)點(diǎn)定位信息則是并發(fā)式的定位算法。 遞增式的定位算法和并發(fā)式的定位算法 在定位的過程中，首先是從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)開始，對與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位， 再逐漸地向遠(yuǎn)離信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，這種定位算法就是遞增式的定位算法。 物理定位算法和符號定位算法 通過定位后得到傳感器節(jié)點(diǎn)的物理位置的算法是物理定位算法，如獲得節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和方位角等；若通過定位后得到傳感器節(jié)點(diǎn)的符號位置的算法就是符號定位算法，????????????????? )(2)(2. . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .)(2)(21111nnnnnnyyxxyyxxA ????????????????????????211221221211221221... . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .nnnnnnnnnddyyxxddyyxxb沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 如獲得節(jié)點(diǎn)的定位信息是傳感器節(jié)點(diǎn)位于建筑物中的多少號房間。 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 如果使用了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的定位算法叫基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法，否則就是無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法。不是通過周邊參考節(jié)點(diǎn)的測距，而是利用節(jié)點(diǎn)的連通性和多條路由信息交換來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的算法就是非基于距離的定位算法。前者根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離信息，結(jié)合幾何學(xué)原理，解算節(jié)點(diǎn)位置；后者則利用節(jié)點(diǎn)間的鄰近關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)連