【正文】 論文的研究內(nèi)容安排如 下： 第一章闡述了本課題的研究背景及意義，介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和體 系結(jié)構(gòu)，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，并總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 領(lǐng)域，重點(diǎn)綜述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題及其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 １．６本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 在無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，定位問題是一個(gè)亟待解決的問題，因?yàn)楹芏酂o線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用都要涉及到各節(jié)點(diǎn)的位置問題，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 術(shù)之一，定位技術(shù)向國內(nèi)外學(xué)者提出了許多挑戰(zhàn)，目前成為研究和討論的熱點(diǎn)。分布式定位算法的缺點(diǎn)是需要大量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)支持。 分布式定位算法將計(jì)算工作分布到各個(gè)節(jié)點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)在本地完 成。集中式定位算法包括凸規(guī)劃（ｃｏｎｖｅｘｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）定位 算法【＆５ ” ，ＭＤＳ．ＭＡＰ定位算法１５３１等。 集中式計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于從全局角度統(tǒng)籌規(guī)劃，計(jì)算量和存儲(chǔ)量幾乎沒有限 制，可以獲得相對(duì)精確的位置估算。前者在定位過程 中，以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為定位中的參考節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)定位后產(chǎn)生整體絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)； 后者只關(guān)心節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置，在定位過程中無需信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)先以自身作 為信標(biāo)點(diǎn)，將臨近的節(jié)點(diǎn)納入自己定義的坐標(biāo)系中，相鄰的坐標(biāo)系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)換合 并，最后產(chǎn)生整體相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。粗粒度定位技術(shù)一般是Ｒａｎｇｅ．Ｆｒｅｅ定位技術(shù)，其原 理是利用某種物理現(xiàn)象來感應(yīng)是否有目標(biāo)接近一個(gè)已知的位置。一般而言，精 粒度的定位技術(shù)大部分是Ｒａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄ，根據(jù)依賴信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所推斷出的距離或是 相關(guān)角度，精粒度定位方法又可以進(jìn)一步細(xì)分為基于距離和基于方向兩種。 （三）精粒度定位方法與粗粒度定位方法 依據(jù)定位技術(shù)所需信息的粒度可將定位算法和系統(tǒng)分為精粒度定位方法與 粗粒度定位方法【４５１兩類。但研究 發(fā)現(xiàn)【的Ｊ，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，而且相對(duì)定位不需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。而相對(duì)定位通常是 以網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)為參考，建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)１１４１。距離無關(guān)定位算 法從各指標(biāo)來看，都很適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗的要求。 由于功耗和成本等因素，再加上粗精度定位能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用，所以 Ｒａｎｇｅ．Ｆｒｅｅ定位技術(shù)是最有潛力的定位技術(shù)之一。無需測距技術(shù)一般采用的是節(jié)點(diǎn)平均每跳距離和跳數(shù)的乘積來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間 的距離，然后再利用三邊定位技術(shù)來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位。所以，Ｒ皿ａｇｅ．Ｂａｓｅｄ 定位機(jī)制雖然在定位精度上有可取之處，但并不適用于要求低功耗、低成本的無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng) 域。ＲＳＳＩ技 術(shù)雖然符合低功率、低成本的要求，但有可能產(chǎn) 生土５０％的測距誤差；ＴＯＡ技術(shù) 需要節(jié)點(diǎn)問精確的時(shí)間同步；ＴＤＯＡ技術(shù)受限于超聲波傳播距離有限和ＭＤＳ 問題對(duì)超聲波信號(hào)傳播的影響；ＡＯＡ也受外界環(huán)境影響，而且需要額外硬件， 在硬件尺寸和功耗上可能無法用于傳感器節(jié)點(diǎn)。 （一）基于測距技術(shù)的定位和無需測距技術(shù)的定位 根據(jù)定位過程中是否測量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離，把定位算法分為：基于測距 技 術(shù)限ａｎｇｅ．Ｂ船ｅｄ）的定位和無需測距技術(shù)＠觚ｇｃ－ＦＤ ∞ ）的定位岬Ｊ． 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 Ｒａｎｇｅ．Ｂａｓｅｄ定位算法利用一定的測距技術(shù)得到節(jié)點(diǎn)間的距離或角度等信 息，再使用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。 １．５．５節(jié)點(diǎn)定位算法的分類方法 盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的分類還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一 個(gè)分類標(biāo)準(zhǔn)也不可能適用于所有定位系統(tǒng)和算法，但下面這些分類方法能從側(cè)面 反應(yīng)出不同定位技術(shù)的特點(diǎn)。為了達(dá)到這些目標(biāo)的優(yōu)化，有大量的研究工作需要完成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)定位的精度產(chǎn)生一定的影響， 某些定位機(jī)制對(duì)其有一定的要求，如節(jié)點(diǎn)需要以高密度部署，網(wǎng)絡(luò)必須是各向同 性，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要部署在網(wǎng)絡(luò)周圍等。因此，定位系統(tǒng)和 算法的軟、硬件必須具有 很強(qiáng)的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性，能夠通過自動(dòng)調(diào)整或重構(gòu)糾正錯(cuò)誤、適應(yīng)環(huán)境、減小 各種誤差的影響，不會(huì)因?yàn)閭€(gè)另１Ｊ節(jié)點(diǎn)的失效而導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)無法定位或誤差 很大的情況。但在真實(shí)應(yīng)用場合下，測距和通信常會(huì)受到外界環(huán) 境的干擾，存在嚴(yán)重的多徑傳播、衰減、非視距、通信盲點(diǎn)等問題；傳感器節(jié)點(diǎn) 由于周圍環(huán)境或自身原因（如電池耗盡、物理損傷）而出現(xiàn)失效的問題；外界影 響和節(jié)點(diǎn)硬件精度限制造成節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度測量誤差增大的問題。 ８、容錯(cuò)性和自適應(yīng)性。另外，在給定的基礎(chǔ)設(shè)施 或時(shí)間內(nèi)，一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 ７、適用環(huán)境與規(guī)模?？臻g代價(jià)包括一個(gè)定位系統(tǒng)或 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。 ６、代價(jià)：定位系統(tǒng)或算法的代價(jià)可從幾個(gè)不同方面來評(píng)價(jià)。盡管密集部署是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一。 ５、定位覆蓋率（ｃｏｖｅｒａｇｅ）。節(jié)點(diǎn)密度通 常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示。 ４、節(jié)點(diǎn)密度。由 于傳感器節(jié)點(diǎn)電池能量有限，因此在保證定位精度的前提下，必須盡可能減小定 位過程中的能量消耗。 ３、功耗。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位通常依賴人工部署或ＧＰＳ實(shí)現(xiàn)，人工部 署信標(biāo)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；而使用ＧＰＳ定位，信標(biāo)節(jié)點(diǎn) 的費(fèi)用會(huì)比普通節(jié)點(diǎn)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)【６２】，這意 味著假如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例增加１０％，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格將增加１０倍。也有部分定位系統(tǒng)［３４，６１１將二維網(wǎng)絡(luò)部署區(qū) 域劃分為網(wǎng)格，其定位結(jié)果的精度也就是網(wǎng)格的大小。目前最常用的指標(biāo)是定位解的均方誤差（ＭｓＥ）、均方根誤差（ＲＭＳＥ）、 克拉美一羅下界（ＣＲＬＢ）、 圓誤差概率（ＣＥＰ）、幾何精度因子（ＧＤＯＰ）等。定位技術(shù)首要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是定位精度，一般用誤差值與節(jié) 點(diǎn)通信半徑的比例表示。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響其可用性和應(yīng)用范圍，需要滿 足自組織性、健壯性、能量有效性等需求，下面定性地討論幾個(gè)常用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 ｘ＝圈 （１．８） （１－９） １８ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)法可以得到節(jié)點(diǎn)Ｄ的坐標(biāo)為： 皇＝（４７彳）～Ａｂ（１－１０） 此方法的缺點(diǎn)在于需要進(jìn)行較多的浮點(diǎn)運(yùn)算，其計(jì)算開銷帶來的能量消耗仍 不容 忽視。一《＋ｙ：。一Ｚ－２（ｙ．一。 圖１－５極大似然估計(jì)祛定位示恿圖 已知號(hào)、Ｅ、己、 ? 、弓等ｎ個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 “ ，Ｍ）、（而，Ｙ２）、 （而，乃）、 ? 、（而，兒），它們到未知節(jié)點(diǎn)Ｄ的距離分別為４、吐、毛、 ? 、以， 假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)Ｄ的坐標(biāo)為（ｘ，ｙ），那么存在下列公式： Ｉ（ ‘ 一ｚ）２＋（乃一ｙ）２＝砰 ｛ｉ（１ ? ５） 【 “ 一ｚ）２＋ ∽ 一ｙ）２＝刃 求解，從第一個(gè)方程開始分別減去最后一個(gè)方程，得： ｆ＃一Ｋ２ — ２（＾一矗）工＋拜一Ｚ－２（ｙ．－ｙ．）ｙ－－ｄ，２一《 ｛ｉ（１－６） Ｉ靠。 １７ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 １．５．３．３極大似然估計(jì)法 如果未知節(jié)點(diǎn)可以找到三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，則可利用冗余的信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息使用極大似然估計(jì)法（ＭａｘｉｍｕｍＬｉｋｅｌｉｈｏｏｄＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ＭＬＥ）來提高 定位精度。由此解出Ｄ的坐標(biāo)似夕）為： 匕］＝［；愛：耋；；凄：羔；］－１［要：喜：要：委：墨：墨］ ｃｔ一４， 三邊 測量法的缺點(diǎn)是：若在測距過程中存在誤差，上述三個(gè)圓就無法交于一 點(diǎn)，用存在誤差的西、如、吃去解上述方程時(shí)便無法得到正確解。 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 其主要原理是：若未知節(jié)點(diǎn)Ｄ到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Ａ的距離而，那么Ｄ可能出現(xiàn)在 以Ａ為圓心，４為半徑的圓上；若再知道Ｄ到另一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Ｂ的距離吐，那么 Ｄ可能出現(xiàn)在以Ｂ為圓心，吐為半徑的圓上，Ｄ可能出現(xiàn)在兩圓相交的任意一 個(gè)交點(diǎn)上；此時(shí)若再知道Ｄ到第三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)ｃ的距離吒，在測距精確的前提 下，以Ｃ為圓心，西為半徑的圓一定與上述兩個(gè)圓交于一點(diǎn)，即可確定Ｄ的坐 標(biāo)。在基于測距的定位算 法中，三邊測量法 ∞ ｌ刪ｏｎ）是計(jì)算坐標(biāo)的基本途徑。如圖１．３所示， 圖ｌ －３三角鍘量法定位不恿圖 假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)Ａ（坐標(biāo)為 ? ，Ｙｏ）），分別測得信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Ｂ、Ｃ（坐標(biāo)分別為 （ｘａ，弗），（而，Ｍ））發(fā)出信號(hào)的到達(dá)角度分別為ｏｌ和島，則式（１－２）成立， ｔａｎ（ｅ）２％Ｘ０ｍ一乃Ｘｉ，ｆ＝ｌ，２ （１－２） 通過求解上述非線性方程，可以得到未知節(jié)點(diǎn)的位置（ ? ，％）。 該方法是通過未知節(jié)點(diǎn)接收器天線或天線陣列測出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射電波的入射角， 從而構(gòu)成一根從未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的徑向連線，即方位線。 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 １．５．３節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法 在未知節(jié)點(diǎn)獲得自身到三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離（或角度）后就可以 采用三角測量法ＯｒｉａｎｇＩｌｌａｔｉｏｎ）、 三邊測ｌ？＆（ｔｒｉｌａｔｃ＇ｒａｔｉｏｎ）或極大似然估計(jì)法 （ｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）計(jì)算自身的位置。 局限于傳感器節(jié)點(diǎn)有限的硬件資源，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中距離的測量存在著精 度較低、距離較短的缺點(diǎn)，這使得基于測量距離的定位方法面臨著很大的困難。同樣，ＡＯＡ技術(shù)也受外界環(huán)境影 響，如噪聲、ＮＬＯＳ問題等都會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生不同影響。 ５。但該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是在地面系統(tǒng)中由于多路反射而可能引起定 位方向誤差。 該概念在ＶＯＩｖｖＯＲＴＡＣ空航系統(tǒng)中有所應(yīng)用，其中ＶＯＲＴＡＣ站點(diǎn)充當(dāng)信 標(biāo)節(jié)點(diǎn)以使得接收者能夠根據(jù)站點(diǎn)來決定其自 身的位置。如果發(fā)送器恰好處在兩個(gè)接收器之間的直線上，則ＡＯＡ測量將無法鎖 定目標(biāo)位置。接收器利用定向天線或者天線陣來測量接收器收 到的來自目標(biāo)發(fā)送器的信號(hào)的方向。采用此方法在障礙 物較少的地區(qū)可以得到較高的準(zhǔn)確度，但在障礙物較多 的環(huán)境中，由于無線傳輸存在多徑效應(yīng)，則誤差增大。 ＡＯＡ定位方法可惟一確定一個(gè)二維定位點(diǎn)。ＡＯＡ定位法的基本思想是由 兩個(gè)或者更多基站發(fā)射信號(hào)的到達(dá)角度來估計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置【４７ｊ５】。 巧吩 與上述ＴＯＡ方法相比， Ⅱ ）ｏＡ不需要時(shí)間同步，對(duì)時(shí)間精讀的要求低，且 ＴＤＯＡ技術(shù)的測距精度較ＲＳＳＩ高１５９ｌ，可達(dá)到厘米級(jí)，然而同樣受到超聲波傳播 中的ＮＬＯＳ 限制，只能適用于節(jié)點(diǎn)部署較為密集、障礙物較少的情況。已經(jīng)有一些定位算法【１樅５町采用ＴＤＯＡ測距方法， 通常使用無線射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)在尺寸、成本、功耗上的限制，上述采用無線 電或超聲波信號(hào)的ＴＯＡ測距技術(shù)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言幾乎是不可行的。 使用無線電信號(hào)ＴＯＡ技術(shù)最多的是ＧＰＳ定位系統(tǒng)，由于微小的時(shí)間誤差會(huì) 帶來巨大的測距誤差，ＧＰＳ系統(tǒng)中對(duì)于時(shí)鐘及時(shí)間同步的要求非常高，ＧＰＳ衛(wèi) 星上裝有價(jià)格昂貴、精確度達(dá)到ＩＩＳ級(jí)的原子鐘，ＧＰＳ接收機(jī)則采用精度略差的 石英鐘，并通過不斷 地與衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)間同步來減少誤差。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng) 臺(tái)無需作任何改造，定位精度較高并且可以單獨(dú)優(yōu)化，定位精度與位置測量單元 的時(shí)鐘精度密切相關(guān)。為了測量移動(dòng)臺(tái)的 發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，需要在每個(gè)基站處設(shè)置一個(gè)位置測量單元，為了避免定位 點(diǎn)的模糊性，該方法至少需要三個(gè)位置測量單元或基站參與測量。己知信號(hào)傳播速度，通過測量信號(hào)從發(fā)射機(jī)傳播到多個(gè)接收機(jī)所消耗 的傳播時(shí)間來確定移動(dòng)用戶的位置。 ５０％的測距誤差ｌ銅，一般只能適用于對(duì)誤差要求不高的場合。其誤差主要來源于信號(hào)實(shí)際傳播過程中受環(huán)境影 響造成的信號(hào)衰減與理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒环瑥亩鴰砹藢?shí)際建模的復(fù)雜性，如信 號(hào)反射、多徑干擾（ｍｕｌｔｉｐａｔｈｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ），柵（Ｎｏｎ — Ｌｉｎｅ．Ｏｆ－Ｓ ｉｇｈｔ，ＮＬＯＳ）、 天線增益等。３０ｄＢ。常用的節(jié)點(diǎn)間距離或角度的測 量技術(shù)有接收信號(hào)強(qiáng)度ＲＳＳＩ【５４１，信號(hào)到達(dá)時(shí)間ＴＯＡ［１３１，信號(hào)到達(dá)時(shí)間差ＴＤＯＡ［１２】 和信號(hào)到達(dá)角度ＡＯＡＤ７ｊ５嚕． １．５．２．１ＲＳＳＩ（ＲｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ） 在該測量方法【馴中，已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測量接收功率，計(jì)算信號(hào) 的傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，該技術(shù)主 要使用ＲＦ信號(hào)。 １．５．２節(jié)點(diǎn)間距離（或角度）的測量方法 在基于測距的定位方法中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)都需要測量其 與各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的距離（或角度）。 視線關(guān)系皿ｍＯｆＳｉｇｈｔ，ＬＯＳ）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠直接通信， 稱為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在視線關(guān)系。 到達(dá)角度（ＡｎｇｌｅＯｆＡｒｒｉｖａｌ，ＡＯＡ）： 節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角 度，稱為信號(hào)相對(duì)接收節(jié)點(diǎn)的到達(dá)角度。 到達(dá)時(shí)問差（ＴｕｎｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＯｆＡｒｒｉｖａＬＴＤＯＡ）：兩種不同傳播速度的信號(hào)從 １２ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差。 基礎(chǔ)設(shè)施（ｉｎｆｉａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）：協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備， 如衛(wèi)星、基站等。 跳數(shù)（ｈｏｐｃｏｕｎｔ）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)，稱為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)。 除了信標(biāo)節(jié) 點(diǎn)外，其它傳感器節(jié)點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)，它們通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息 來確定自身位置。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中所占的比例很小，可以通過攜帶ＧＰＳ定位設(shè)備 或者人工部署等手段獲得自