【正文】 達時間為，已知的射頻信號傳播速度為，超聲波信號的傳播速度為，發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離可通過式()得到: ()比較典型的應(yīng)用如由MIT的Oxygen項目組開發(fā)的Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)。其計算公式分別如式()和()，式中為信號傳播速度。具體如圖32所示。另一種方法是測量信號往返時間即RTOF，信號在到達接收節(jié)點后直接返回，發(fā)送節(jié)點測量收發(fā)的時間差作為途經(jīng)時間，此方法避免了節(jié)點間時間同步的要求。一種方法是測量信號單向傳播時間即TOA。該技術(shù)最典型的應(yīng)用如GPS，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點之間的距離相對較小，采用傳播時間測距難度較大，同時節(jié)點價格、功耗和硬件設(shè)備也限制了該技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。根據(jù)信號的傳播速度和傳播時間來計算節(jié)點間的距離。表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，是由遮蔽效應(yīng)引起的正態(tài)隨機變量，單位。實際環(huán)境中常用的信道模型為: ()模型中是事先知道的距發(fā)射節(jié)點處的參考信號強度，單位是 , 為參考距離。它的誤差主要來源于多徑傳播、反射、非視距傳播以及天線增益等，這些因素都會造成相同距離產(chǎn)生顯著不同的傳播損耗，從而造成信號傳播模型建模的復(fù)雜性，因此精度比較低，有時RSSI的測距誤差可達到50%。1．信號強度測距信號強度測距技術(shù)主要使用RF信號，已知發(fā)射信號功率，在接收節(jié)點測量接收信號功率，估算出傳播損耗，然后，使用信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。3．2．2 節(jié)點間距離的測量方法測量節(jié)點之間角度或距離的方法有很多，直接測距的方法有接收信號強度(RSSSI)，到達時間(TOA)，往返傳播時間(Roundtrip Time of Flight,RTOF ),到達時間差(TDOA)，以及到達角度(AOA)等。第三步，采取一定的措施對估算值進行修正或優(yōu)化處理。盡管現(xiàn)有的定位算法各不相同，但從基本原理上講，現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位機制通常由以下三步組成：第一步，未知節(jié)點通過一定的手段或方法估計未知節(jié)點到錨節(jié)點的距離。4．在定位過程中，假設(shè)節(jié)點相對位置不變。2．每一個節(jié)點都具有全網(wǎng)唯一的ID。目前節(jié)點定位的研究熱點就集中在如何利用這些錨節(jié)點計算未知節(jié)點的位置。如果采用直接獲得節(jié)點位置的方式即為每個節(jié)點裝備全球定位系統(tǒng)(GPS)，考慮到價格、體積、功耗等因素的限制，通常該方案也被排除在外。3．2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位基本方法通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點是隨機分布的且數(shù)量龐大。此種優(yōu)化路由需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點知曉每個節(jié)點或者至少相鄰節(jié)點的位置信息，據(jù)此做出優(yōu)化的路由選擇。5．進行網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)可以利用傳感器節(jié)點的位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，據(jù)此實時地統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，對覆蓋較差的區(qū)域及時采取必要的補救措施。對天然氣管道泄露具體位置進行監(jiān)控等。例如:對森林防火應(yīng)急監(jiān)控，目前很多森林的防火監(jiān)控都是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署在監(jiān)控區(qū)域，通過傳感網(wǎng)絡(luò)回傳至控制中心的數(shù)據(jù)一旦發(fā)生異常情況，就可以通過該節(jié)點的相關(guān)地理位置信息判斷出是什么地方發(fā)生異常，以便工作人員采取相關(guān)措施。另外，在工廠、物流管理和醫(yī)院儀器管理等環(huán)境中都有很廣泛的應(yīng)用和迫切的需求。對動物活動進行追蹤，通過將傳感器節(jié)點植入該動物身體的某個部位，并通過該節(jié)點周期性地把相關(guān)信息發(fā)送給控制中心便可以得到其活動的路徑信息。2．目標(biāo)跟蹤目標(biāo)跟蹤是指網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測目標(biāo)的行動路線，預(yù)測目標(biāo)的前進軌跡。例如:在軍事上，通過事先部署的無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的信息，可以對敵方目標(biāo)進行準(zhǔn)確的定位，為火控系統(tǒng)提供精確的制導(dǎo)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中不但有很多特定應(yīng)用都依賴于節(jié)點或目標(biāo)物體的地理位置信息，而且很多網(wǎng)絡(luò)運行和管理也需要位置信息的輔助，如基于地理位置信息的路由、資源的有效配置、對外部目標(biāo)的定位和跟蹤等。3．1．4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)相關(guān)應(yīng)用位置信息在某些應(yīng)用中起關(guān)鍵性的作用，同時具有多種用途，大體可分為導(dǎo)航、跟蹤、虛擬現(xiàn)實和網(wǎng)絡(luò)路由等。3．能量高效性為了盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，要盡可能的減少節(jié)點間的通信開銷，減少算法中計算的復(fù)雜度，用盡量少的能量完成盡可能多的工作。因此，自組織性就顯得格外重要。通常無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)具備以下特點?？斩从锌赡苡商烊坏恼系K如河流或湖泊所造成，也可能由一些像電池壽命耗盡等情況造成的節(jié)點失效而產(chǎn)生。基礎(chǔ)設(shè)施:協(xié)助傳感器節(jié)點定位的已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等。網(wǎng)絡(luò)連通度:網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)的平均值。視線關(guān)系:沒有任何障礙物間隔的兩個節(jié)點間能夠直接通信的關(guān)系。到達角度:節(jié)點接收到的信號相對于自身軸線的角度。到達時間:一種信號從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需的時間。測距誤差:測量距離與真實距離之間的誤差。跳數(shù):兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數(shù)。錨節(jié)點:通過GPS系統(tǒng)或人工部署已知自身位置信息，并且能夠協(xié)助網(wǎng)絡(luò)對未知節(jié)點定位的節(jié)點，又稱為信標(biāo)節(jié)點。另一種是符號位置，它表示的是目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍，即指在目標(biāo)與一個基站或者多個基站接近程度的信息。兩者可以統(tǒng)一起來考慮，無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位問題就是尋求利用少量的錨節(jié)點來確定網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點的位置坐標(biāo)的方法。它是網(wǎng)絡(luò)自身屬性的確定過程，是網(wǎng)絡(luò)的支撐，可以通過人工配置或各種節(jié)點自定位算法完成，它是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)存在的必要的支撐技術(shù)之一。其可分為節(jié)點的自身定位和目標(biāo)定位。3．1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)概述3．1．1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的概念對于定位一般的理解就是確定位置。目前針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位機制和定位算法己經(jīng)大量涌現(xiàn)。還可以用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測、協(xié)助路由等。監(jiān)測到事件后關(guān)心的一個重要問題就是該事件發(fā)生的位置，這是進一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)。節(jié)點只有知道了自身的位置信息，才能夠提供有效的監(jiān)測消息。隨著研究的深入，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將深入到人類生活的各個領(lǐng)域，其未來的應(yīng)用范圍將只受到人們想象力的限制，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些傳感器節(jié)點形成一個無線傳感交通網(wǎng)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以查詢信息或者發(fā)出控制指令。通過把傳感器節(jié)點安裝到建筑物上，實時監(jiān)測各種安全參數(shù)，建筑物就能夠自我感知，并主動的向管理部門報告自身的狀態(tài)信息，管理部門據(jù)此采取必要的措施。通過把傳感器節(jié)點嵌入到家具和家電中組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)連接相連，為人類的生活提供更加方便、舒適和人性化的智能環(huán)境。3．醫(yī)療護理無線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療護理領(lǐng)域也有應(yīng)用，它可以跟蹤和監(jiān)測醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動，可以用F監(jiān)測人體的各種生理數(shù)據(jù)等。2．環(huán)境監(jiān)測當(dāng)今社會環(huán)境問題受到越來越多的關(guān)注，環(huán)境保護越來越受到重視。2．3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為一種融合了無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式計算的特殊自組織網(wǎng)其在軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控絡(luò)，等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。因此，應(yīng)用層的研究主要是各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務(wù)之間的協(xié)調(diào)。這就對無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持下，多個應(yīng)用可以并發(fā)地使用系統(tǒng)的有限資源。因此，無線通信技術(shù)也就成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，很多研究機構(gòu)把IEEE 。超寬帶技術(shù)(UWB)是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。8．無線通信技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。但是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫有很大差別。7．?dāng)?shù)據(jù)管理從數(shù)據(jù)存儲的角度來看，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種分布式數(shù)據(jù)庫。6．網(wǎng)絡(luò)安全無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點決定了它的安全與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全在研究方法和計算段上會有很大的不同。數(shù)據(jù)融合可以在各個傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)的過程中利用節(jié)點的本地計算和存儲能力去除冗余信息，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而有效的節(jié)省能量。但是，受到無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身所具有的低能耗、低成本的特點限制，現(xiàn)有傳統(tǒng)定位技術(shù)(如GPS)對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說并不適用，因此開發(fā)出適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)勢在必行。4．定位技術(shù)位置信息是無線傳感網(wǎng)絡(luò)正常工作和應(yīng)用中不可缺少的部分，缺少位置信息網(wǎng)絡(luò)很可能無法正常工作，在某些應(yīng)用中缺少位置信息也將會是致命的。因此，設(shè)計適合于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的新時間同步算法就顯得尤為重要。3．時間同步實現(xiàn)時間同步是無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)同作用的一個關(guān)鍵機制。同時，網(wǎng)絡(luò)資源在不斷地變化，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也是動態(tài)變化的，這些都對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出了更高的要求。2．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負責(zé)使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。另一方面在于構(gòu)建良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能帶來全局效率的提升，有利于節(jié)點能耗的降低和整個網(wǎng)絡(luò)負載的均衡，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。2．2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點，無線傳感網(wǎng)絡(luò)涉及到了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和分布式計算技術(shù)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，有非常多已發(fā)現(xiàn)和未發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)值得研究和探索。IEEE802．15．4的物理層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)，總共提供了27個信道：868MHz頻段1個速率為20kbps的信道，915MHz頻段10個40kbps的信道，2450MHz頻段16個250kbps的信道。．15．4網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要組成星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò) IEEES02．15．4協(xié)議層次圖IEEE802．15．4的物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。圖中的CID(ClusterIdentifier)為簇的標(biāo)識，CLH(Cluster Head)為簇頭。IEEES02．15．4網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需要組成星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò)，如圖14所示。在IEEES02．15．4網(wǎng)絡(luò)中，存在一個PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PANcoordinator)。FFD之間、FFD與RFD之間可以直接通信，RFD之間不能直接通信，需要通過一個FFD轉(zhuǎn)發(fā)。在符合IEEES02．15．4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信功能，可以分為全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和精簡功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)(Personal AreaNetwork,PAN)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能量，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量：移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；任務(wù)管理平臺平衡和調(diào)度給定區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測任務(wù)。應(yīng)用層采用不用的軟件，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用目的；傳輸層實現(xiàn)差錯控制和流量控制等功能；網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)將傳輸層所提供的數(shù)據(jù)路由至匯聚節(jié)點；數(shù)據(jù)鏈路層主要負責(zé)節(jié)點接入，降低節(jié)點間的傳輸沖突；物理層進行比特流的傳輸。處理器模塊主要負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理所采集的數(shù)據(jù)及其它節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊主要負責(zé)與其它傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器)、無線通信模塊(無線收發(fā)設(shè)備)、電源模塊(電池和能量轉(zhuǎn)換器)，處理器模塊(微處理器和存儲器)。匯聚節(jié)點可以是一個具有更強功能的傳感器節(jié)點，也可以是一個不具有監(jiān)測功能的僅具有無線通信功能的特殊網(wǎng)關(guān)，它負責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)外部網(wǎng)絡(luò)的連接。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖2．無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，具有相對較弱的通信能力、存儲能力和處理能力，并且能量有限。傳感器節(jié)點監(jiān)測到感興趣的數(shù)據(jù)后沿著其它傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。2．1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 1．無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳播模型無線傳感網(wǎng)絡(luò)實際上是一個由大量低成本、低功耗、多功能、小尺寸的傳感器節(jié)點組成的adhoc網(wǎng)絡(luò)。首先從無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念和發(fā)展歷程入手對無線傳感網(wǎng)絡(luò)做了簡要介紹，接著對網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)作了較詳細的論述，然后分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點和優(yōu)勢。最后一章主要是對全文工作的總結(jié)，并指出下一步的主要工作。第四章主要研究了DVhop定位算法，在此基礎(chǔ)上提出了改進的定位算法并對該算法進行了仿真驗證，給出了仿真驗證結(jié)果。第二章主要對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行全面的分析討論，詳細的分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念、體系結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)，討論了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點和優(yōu)勢，深入研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域進行詳細的介紹。1．3 論文研究思路及章節(jié)結(jié)構(gòu) 本論文在綜合分析大量無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)文獻和歸納整理前人研究成果的基礎(chǔ)上，分別在二維平面和三維空間中提出了新的定位算法。最后，基于能力存儲技術(shù)的發(fā)展，電池的容量越來越大，再加上低功耗的實現(xiàn)，無線傳感模塊的適用壽命不斷增加將會成為一個絕對趨勢。正是由于當(dāng)前能耗對無線傳感模塊的影響，低功耗研究才上升為一個熱點領(lǐng)域，不論是使用電源或者電池供電，在實現(xiàn)低功耗后，無線傳感模塊的發(fā)展趨勢必然是自生能源式的。這樣一來成本就會非常的高。除開以上所講兩種發(fā)展趨勢之外，無線傳感模塊的應(yīng)用和發(fā)展還具有極大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展方向。因此，無線傳感模塊的發(fā)展必然是趨向與低功耗的。在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同。因此，以無線傳感模塊為基礎(chǔ)，實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的無線互聯(lián)將是一個必然的趨勢。它綜合了傳感器技術(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。其發(fā)展方向必然是無線通信的網(wǎng)絡(luò)化，即通過自組網(wǎng)的方式形成動態(tài)、自適應(yīng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。并且會有更多的結(jié)構(gòu)新、功能強、耗能低的傳感器用運于各種實際的無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，以高的精確度和良好的穩(wěn)定性服務(wù)于更加廣泛的領(lǐng)域。MIT 發(fā)展的模塊化平臺對于具體的傳感器有不同的硬件設(shè)計，他們的傳感器的主要功能是數(shù)據(jù)收集，采用垂直連接器來使不同的處理層整合到一起，其目的是為了設(shè)計一個通用的系統(tǒng)來取代單一的硬件系統(tǒng)。IT P（美國再生能源辦公室工業(yè)技術(shù)計劃） 在2002年發(fā)布的報