【正文】 為確保最外圍的節(jié)點首先開始發(fā)送應(yīng)答信息包，為每個節(jié)點設(shè)置一個發(fā)送應(yīng)答信息包的時間延遲值：β－ t，這可保證外圍節(jié)點首先發(fā)送（β為一常數(shù)）。在一定時間延遲后（確保所有節(jié)點都接收到廣播信息），各節(jié)點組織應(yīng)答信息包的發(fā)送?；精@取此數(shù)據(jù)后利用前面提到的定位原理和算法可得到各節(jié)點的具體位置。 信息廣播過程：信息廣播源為基站中三個位置各異的信號發(fā)射器 ，各發(fā)射器分別以足夠覆蓋全部節(jié)點的功率發(fā)送一個信息包（速度為 V1）和一測距信號（速度為 V2），各節(jié)點收到信息包后開始記時，收到測距信號則停止記時，得到時間差值 t。 為提高測距信號利用率和減少節(jié)點接收信號的能量消耗，在基站廣播的測距信號基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 28 中，已經(jīng)包含了發(fā)射源的位置信息，其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下： 測距起始標(biāo)識 發(fā)射源 ID 發(fā)射源坐標(biāo) 發(fā)射時間 傳感器節(jié)點在未完成自身定位之前，一直處于偵聽接收狀態(tài)，在收到基站測距的同步起始標(biāo)識后，打開記時器，同時開啟接收速度較慢的聲波或超聲波信號，在收到聲波或超聲波信號后，計時器停止記時，利用公式 ①計算出與信源的距離 Ri (i = 3)，然后將 Ri代入方程組中求解得出節(jié)點的具體位置 （ρ , θ ） 。若從 X到 A、 B、 C 的距離 分別為 R R R3，則 X 位置就是可確定的。在二維空間中，最少需要三個參考點才能唯一確定一點的坐標(biāo)。 本文 采用常用的三邊 (trilateration)定位。 t)/(V1?V2) ① 其中 Ri（ i=1,2,3）分別表示三個錨點到該點的距離。節(jié)點記錄兩個信號到達(dá)的時間差值 t，通過公式： Ri＝ (V1 3． 2． 2． 1 基于測距 的 定位 實現(xiàn) 在 3． 1． 1 一 節(jié)中已經(jīng)提到了用于節(jié)點定位的時間差測距方法。 鑒于 此， 本文 提出了基于測距與不測距的 復(fù) 合定位 機(jī)制。 3． 2． 1 問題的提出 在基于測距的定位系統(tǒng)中， 如果為每個節(jié)點安裝用于發(fā) 射測距信號的硬件無疑會增加節(jié)點成本和能源消耗，因此考慮利用基站為所有節(jié)點發(fā)射測距信號，這就要求 節(jié)點必須處于 基站的 測距信號發(fā)射范圍之內(nèi) 。 當(dāng)在定位技術(shù)中一旦用到錨節(jié)點，那么一個重要的問題就是要設(shè)置多少錨節(jié)點 以及在什么區(qū)域布置錨節(jié)點。 原理及過程詳見 文獻(xiàn) [35]。如果未知節(jié)點在某三角形內(nèi)部，稱此三角形包含未知節(jié)點；最后，未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為自己的估計位置。 未知節(jié)點收集鄰居節(jié)點的梯度值，計算關(guān)于某個錨節(jié)點的局部梯度平均值。 Amorphous 算法 ：該 算法 與 DVHop 算法類似。 DVHop算法與基于測距算法具有相似之處，就是都需要獲得未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離，但是DVHop 獲得距離的方法是通過網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的計算而不是通過無線電波信號的測量。錨節(jié)點具有到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他錨節(jié)點的跳數(shù)值以及這些錨節(jié)點的位置信息，因此錨節(jié)點可以通過計算得到 與 其他錨節(jié)點的實際距離。通過這一機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點 (包括其他錨節(jié)點 )都獲得了到每一個錨節(jié)點的最小跳數(shù)值。此信標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中被以泛洪的方式傳播出去，信標(biāo)每次被轉(zhuǎn)發(fā)時跳數(shù)都增加 1。 該 算法的原理與經(jīng)典的距離矢量路由算法比較相似。 當(dāng)未知節(jié)點在一段偵聽時間內(nèi)接收到來自錨節(jié)點的信標(biāo)信號數(shù)量超過某一個預(yù)設(shè)的門限后，該節(jié)點認(rèn)為與此錨節(jié)點連通，并將自身位置確定為所有與之連通的錨節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心。該算法的中心思想是：未知節(jié)點以所有在其通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點的幾何質(zhì)心作為自己的估計位置。 基于不測距 的算法不需要知道未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離或者不需要直接測量此距離，在成本和功耗方面比基于測距的方法具有優(yōu)勢。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 3． 1． 2 基于不測 距 的定位 方 法 基于測量距離和角度的算法的缺點是使傳感器節(jié)點造價增高，消耗了有限的電池資源，而且在測量距離和角度的準(zhǔn)確性方面需要大量的研究。采用混合定位法或者可以實現(xiàn)更高的精確度，減小誤差，或者可以降低對某一種測量參數(shù)數(shù)量的需求。兩根方位線的交點即為未知節(jié)點的位置。 因此 TDOA 定位在二維平面上的幾何意義為：得到未知節(jié)點與兩個錨節(jié)點的距離之差，即可知未知節(jié)點定位于以兩個錨節(jié)點為焦點的雙曲線方程上，通過測量得到未知節(jié)點所屬的兩個以上雙曲線方程時，這些雙曲線唯一的交點即為未知節(jié)點的位置。 TDOA 定位與 TDOA測距不同， TDOA 定位計算兩個錨節(jié)點信號到達(dá)未知節(jié)點的時間差，將其轉(zhuǎn)換成到兩個錨節(jié)點的距離之差，未知節(jié)點通過到多組錨節(jié)點的距離之差得出自身的位置。 使用 TOA技術(shù)比較典型的定位系統(tǒng)是 GPS，GPS 系統(tǒng)需要昂貴高能耗的電子設(shè)備來精確同步衛(wèi)星時鐘。在TOA 方法中，若電波從錨節(jié)點到未知節(jié)點的傳播時間為 t，電波傳播速度為 c，則錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離為 t c。 信號強(qiáng)度測距法通常屬于一種粗糙的測距技術(shù)。反射、多徑傳播、非視距、天線增益等問題都會對相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗。三邊測量法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點到一個錨節(jié)點的距離時，就可以確定此未知節(jié)點在以此錨節(jié)點基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 24 為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點到 3個錨節(jié)點的距離時， 3 個圓的交點就是未知節(jié)點的位置。 信號強(qiáng)度測距法 ： 通過 已知 的節(jié)點 發(fā)射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使 用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離 ； 得到錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離信息后，采用三邊測量法或最大似然估計法可計算出未知節(jié)點的位置。 正如 2． 2． 3節(jié)中提到的一樣， 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位方法分為基于測距 (Rangebased)和 基于不測距 (Rangefree) 的 方法。 位置 未知的節(jié)點稱作 未知節(jié)點，它們需要被定位。因此目前主要的研究工作是利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中少量已知位置的節(jié)點來獲得其他未知位置節(jié)點的位置信息。 獲得節(jié)點位置的一個直接想法是利用全球定位系統(tǒng) (GPS)來實現(xiàn)。因此，實現(xiàn)節(jié)點的自身定位對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有重要的意義。 但對大部分的應(yīng)用來說 ，節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合 產(chǎn)生數(shù)據(jù)的地理 位置信息才有 具體的意義 。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 第 三 章 節(jié)點定位 與改進(jìn)措施 對無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點進(jìn)行自身定位是 其實際 應(yīng)用的 重要前提 條件 之一 。 應(yīng)用層技術(shù) ：應(yīng)用層由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，主要研究如何在多任務(wù)中進(jìn)行協(xié)調(diào)，以及為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提供有效的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具。 嵌入式操作系統(tǒng) ：傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供 最大的支持。這是一個針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)，在些標(biāo)準(zhǔn)上，如何提供具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供較高的定位精度等要求通信技術(shù)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點之一。 數(shù)據(jù)管理 ：從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)可被視為一種分布式數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)融合 ：傳感器網(wǎng)絡(luò)存在能量約束，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量能夠有效地節(jié)省能量，基于復(fù)合定位的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn) 22 因此在從各節(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)，去除冗余信息，從而達(dá)到節(jié)省能量的目的。 網(wǎng)絡(luò)安全 ：為保證任務(wù)的機(jī)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(jī)制，如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性、點到點的消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全管理，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要全面考慮的內(nèi)容。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有應(yīng)用相關(guān)的特性，在眾多不同應(yīng)用中很難采用統(tǒng)一的時間同步機(jī)制，即使在單個應(yīng)用中，多個層次上可能都需要時間同步，并且每個層次對時間同步的要求也不盡相同，因此，必須針對特定的應(yīng)用環(huán)境設(shè)計相應(yīng)的時間同步機(jī)制。 TPSN 機(jī)制采用層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步 ，所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級，表示節(jié)點到根節(jié)點的距離，通過基于發(fā)送者與接收者的節(jié)點對方式，每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進(jìn)行同步，從而所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。 目前，許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了多種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步機(jī)制，其中 影響較為重要的主要有 ： 參考廣播同步機(jī)制 (Reference Broadcast Synchronization, RBS)[42][43]、 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議 (Timingsync Protocol for Sensor Networks, TPSN)[44][45]、延遲測量時間同步 (Delay Measurement Time Synchronization, DMTS)[46]等 。 還有節(jié)點的能量有限性也要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制必須充分考慮能耗問題。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中同樣需要時間同步機(jī)制，例如時間同 步能夠用于形成分布式波束系統(tǒng)、構(gòu)成 TDMA 調(diào)度機(jī)制和多傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)融合，在節(jié)點間時間同步的基礎(chǔ)上，用 帶 時間序列的目標(biāo)位置檢測可以估計目標(biāo)的運(yùn)行速度和方向，通過測量聲音的傳播時間能夠確定節(jié)點到聲源的距離或聲源的位置等。 基于不測距 的定位機(jī)制的定位準(zhǔn)確性 受環(huán)境因素的影響， 使得 定位誤差較大 ， 不適合對 定位精度 要求較高的應(yīng)用，特別是象軍事應(yīng)用等對位置極為敏感的項目 。 基于不測距 的定位機(jī)制無須實際測量節(jié)點間的絕對距離或方位就能夠確定未知節(jié)點的位置，目前提出的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法 [38]、 DVHop[39][40]算法、 Amorphous算法 [41]、 APIT 算法 [36]等。根據(jù)測量節(jié)點間距離或方位時所采用的方法， 基于測距 的定位分為基于 到達(dá)時間（ time of arrival,TOA） 的定位、基于 到達(dá)時間差（ time difference of arrival,TDOA） 的定位 、基于 到達(dá)角度 (angle af arrival,AOA)[37]的定位、基于 接收信號強(qiáng)度指示 (received signal strength indicator,RSSI)的定位等。根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位 分為 基于測距 （ RangeBased） 的定位和 基于不測距 (RangeFree)的定位 [36]。 錨 節(jié)點的位置是已知的，位置未知節(jié)點需要根據(jù)少數(shù) 錨 節(jié)點，按照某種定位機(jī)制確立自身的位置。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。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身位置。 2． 3． 3 節(jié)點定位技術(shù) 位置信息是傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位 置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。 比較有代表性的有： SMAC[29]、 TMAC[30]和 Sift[31]等基于競爭的 MAC 協(xié)議 ； DEANA[32]、 TRAMA[33]、 DMAC[34]周期性調(diào)度等時分復(fù)用的 MAC 協(xié)議 ； 以及 TDMA 和 FDMA 相結(jié)合的 SEMAC[35]等 協(xié)議。在 MAC 層的能量浪費(fèi)主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。目前提出了多種類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如能量感知的路由協(xié)議 、 定向擴(kuò)散 (directed diffusion, DD)[ 13]和謠傳路由 (rumor routing, RR)[24]等基于查詢的路由協(xié)議， GEAR(geographical and energy aware routin)[25] 和 GEM(graph embedding)[26]等基于地理位置的路由協(xié)議， SPEED[27]和 EAQR [28]等支持 QoS 的路由協(xié)議。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個節(jié)點的能量消耗，更關(guān)心整個網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗，這樣才能延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個獨(dú)立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前研究的重點是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。 2． 3． 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能量以及攜帶的能量都十分有限，每個節(jié)點只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ渖线\(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也不能太復(fù)雜。該機(jī)制能夠使節(jié)點在沒有事件發(fā)生時設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時及時自動醒來并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成一個處理并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié) 點可以暫時關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量；目前提出了 TopDisc[19]成簇算法，改進(jìn)的 GAF 虛擬地理網(wǎng)格分簇算法[20]，以及 LEACH[21]和 HEED[22]等自組織成簇算法。 節(jié)點 功率控制機(jī)制調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的發(fā)射功率，在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的前提下，減少節(jié)點的發(fā)送功率，均衡節(jié)點單跳可達(dá)的鄰居數(shù)目 。 目前 ， 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康闹饕獑栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過拓?fù)淇刂谱詣由闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由和 MAC 協(xié)議的效率，可為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量以延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。在此， 本文 僅簡單列出部分當(dāng)前認(rèn)為是比較重要的一些技術(shù)，并結(jié)合本文的研究內(nèi)容