【正文】 圖26基于TDOA定位Fig. 26 Located Based on TDOA如圖33所示，該技術(shù)的測距精度可達到厘米級，但前提是需要精確的時鐘，同時使用超聲波測量需要額外的硬件，增加了成本，而且容易受到非視距誤差的影響。但由于受到地板、墻壁和人體等各種物體等障礙物的阻攔，電磁波會存在著反射及衍射，使得 RSSI值隨機變化較大，因此無法準確判斷某一個距離對應(yīng)的RSSI值。根據(jù)高斯分布功率表達式，得到的接收功率為： （）其中εdB為零均值及以δ2, N(0,δ2)變化的高斯分布隨機變量。所以距離d與接收到的信號強度的關(guān)系可以表示為： （）其中P(d0)為參考距離d0接收到的信號。因為RSSI在一個真實環(huán)境下的信號隨著距離的增大而減少。RSSI的理論模型是根據(jù)信號強度隨著距離的變化成對數(shù)衰減的原理，如式（）,其中r0是1m距離處對應(yīng)的RSSI測距值，a是信號的衰減率，理論值為2。其中r是RSSI測距值。最優(yōu)模型如式()，根據(jù)給定RSSI的距離值r，對具有相同RSSI測量值的觀測數(shù)據(jù)來計算實際距離的平均值，這個模型可以很好地從收集到的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出有效的距離估計值。同時為了更好的利用RSSI值估計節(jié)點與鄰節(jié)點之間的距離，需要建立一個RSSI模型。若芯片為CC2420： （） （）其中，RSSI是一個8位的寄存器值；RSSI_VAL為轉(zhuǎn)換前RSSI功率值，單位為dBm，RSSI_OFFSET是一個常數(shù)，約為45dBm。若芯片是CC1000： （） （） （） （）其中，RSSI是寄存器值，也就是節(jié)點接收到的信號強度值，VRSSI是A/D轉(zhuǎn)換前的RSSI電壓值，單位為(V)；Vbat為電源電壓，該值為一個常數(shù)值3V；Pcurrent是當前節(jié)點的發(fā)射功率，單位為dBm；P0為當節(jié)點與源節(jié)點足夠遠時接收到的功率值，一般來說P0取80dBm；P為功率衰減值。對于CC1000通信芯片，RSSI值是一個10位的寄存器值，而對于CC2420，該值卻是一個8位的寄存器值。CC1000的工作頻帶為315MHz,868MHz,915MHz，適用于跳頻協(xié)議。目前很多定位算法都是利用RSSI技術(shù)實現(xiàn)的。前者需要測量相鄰節(jié)點間的絕對距離或方位，然后利用該實際距離來確定未知目標節(jié)點位置；后者則僅利用節(jié)點間距離關(guān)聯(lián)關(guān)系計算目標節(jié)點位置[35] 。最后根據(jù)已知的r1，r2，r3，采用三邊測量法確定D點坐標。圖24三角測量法示意圖Fig. 24 Triangulation Method Principle對于節(jié)點A，C和角ADC，如果弧段AC在ABC內(nèi)，那么能夠唯一確定一個圓，設(shè)圓心為，半徑為r1，那么，并存在下列公式： ()由式()能夠確定圓心O1點的坐標和半徑r1?？偟膩碚f，針對節(jié)點的定位算法都是在理想的仿真環(huán)境下進行研究的，當節(jié)點處于存在干擾或者移動的情況下，這些算法或不能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點精確的定位，或算法的計算量太大。這樣建立起來的等式方程組沒有解，根本無法實現(xiàn)對節(jié)點的定位。如下圖21所示，當節(jié)點P1，P2，P3未知節(jié)點P發(fā)出的定位信號時，根據(jù) RSSI值，可以得到 P1到 P，P2到 P，P3到 P的距離d1，d2，d3；分別以 P1，P2，P3為圓心，d1，d2，d3為半徑作圓，通過這 3個圓相交區(qū)域定出未知節(jié)點的位置。那么，存在下列公式： ∶ ()最后，使用標準的最小均方差估計方法可以得到未知節(jié)點 D 的坐標。因此可以使用更多的節(jié)點以獲得冗余信息來計算未知節(jié)點的位置。本章首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的定位方式及其實現(xiàn)，然后介紹常用的基于測距和無需測距的定位算法，并根據(jù)這些算法的特點，分析其優(yōu)缺點，為下一章提出新的基于移動信標的定位算法奠定了理論基礎(chǔ)。因為信標節(jié)點造價往往比普通節(jié)點高，在許多固定的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，定位成功后信標節(jié)點將轉(zhuǎn)為普通節(jié)點使用，極大的浪費了資源?；谛艠斯?jié)點的定位算法的一個重要特征是定位精度取決于信標點密度?；谛艠斯?jié)點的定位算法依賴于某些已知坐標位置的節(jié)點。利用AMP所有節(jié)點從隨機初始坐標分配開始，只利用局部距離估計和通過局部信息交換收斂到一個與距離估計一致的坐標分配。SDGPSN算法和SPA算法相比，通信開銷明顯降低，這使得它更適于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署。節(jié)點域內(nèi)的所有其他從節(jié)點通過選擇適當?shù)妮o助節(jié)點對來計算其在此局部坐標系中的坐標?；舅枷?網(wǎng)絡(luò)部署完后，每個傳感器節(jié)點開始運行一個隨機的定時器，如果與鄰居節(jié)點相比，節(jié)點i的定時器最先到期且沒有收到任何鄰居節(jié)點的消息，則i升級為主節(jié)點，并向鄰居節(jié)點廣播此消息，所有接收到該消息的鄰居節(jié)點中止其定時器并成為該主節(jié)點的從節(jié)點。SPA算法的主要缺點是網(wǎng)絡(luò)通信開銷太大。SPA算法選擇網(wǎng)絡(luò)中密度最大處的一組節(jié)點作為建立網(wǎng)絡(luò)全局坐標系統(tǒng)的參考點，并在其中選擇連通度最大的一個節(jié)點作為坐標系統(tǒng)的原點。在某些無需網(wǎng)絡(luò)節(jié)點絕對位置的應(yīng)用中，可以采用無信標節(jié)點的定位算法來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的相對定位。絕對定位可為網(wǎng)絡(luò)提供唯一的命名空間，受節(jié)點移動性影響較小，有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合基于VWMC的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位算法以及錨節(jié)點動態(tài)調(diào)整策略，提出了基于錨節(jié)點動態(tài)調(diào)整的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位算法，提高了算法對外界干擾的抵御能力。提出基于VWMC（Voronoi and Weight Monte Carlo Method）的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位算法，該算法在MCL（Monte Carlo Localization）算法的基礎(chǔ)上加入Voronoi圖和權(quán)值分析技術(shù)。對基于錨節(jié)點動態(tài)調(diào)整的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位系統(tǒng)進行了研究，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)移動節(jié)點的高效率定位。同時，把節(jié)點放在車載平臺上，實現(xiàn)節(jié)點的移動。節(jié)點采用MSP430低功耗單片機，芯片集成SPI，IIC，12位A/D等標準接口，可以通過SPI接口與射頻模塊CC2420進行連接，節(jié)點還設(shè)計了了標準的傳感器接口，可以通過接口連接到常用的傳感器模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點定位系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)需要根據(jù)上面所述的要求建立合適的傳感器系統(tǒng)，為此設(shè)計的傳感器移動節(jié)點主要由低功耗的微處理器，射頻模塊，傳感器接口，電源模塊以及車載平臺5部分組成，如圖21所示，普通節(jié)點則沒有車載平臺。傳感器節(jié)點主要由低功耗的單片機，無線射頻模塊以及車載平臺等組成，它首先采集各個模擬信號，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，經(jīng)過單片機處理后，通過無線射頻模塊把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點。由于信標節(jié)點需要移動，其在網(wǎng)絡(luò)中的作用更為重要，需要根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點進行移動信標節(jié)點的設(shè)計及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)的研究。當前絕大多數(shù)節(jié)點定位算法均假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在少量信標節(jié)點，以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的絕對定位。 第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)常用節(jié)點定位算法相關(guān)研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位方法的不同，分成兩種定位類型：基于信標節(jié)點和不基于信標節(jié)點(也有論著將其分為無錨節(jié)點和有錨節(jié)點的定位算法，信標節(jié)點也可稱為錨節(jié)點)。第4章 結(jié)合基于移動信標改進的DVHop定位算法，提出了面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動信標的路徑規(guī)劃方法，把圖論引入信標移動路徑規(guī)劃，獲取針對所處網(wǎng)絡(luò)連通狀況的優(yōu)化信標移動路徑。第2章 介紹了信標節(jié)點定位算法的相關(guān)工作，闡述了常用的基于移動信標的無線傳感器節(jié)點定位算法，并分析了這幾種常用算法的特點。文章結(jié)構(gòu)層次安排如下：第1章 闡述了本課題的研究背景、研究意義及項目來源。仿真證明，相對于DVHop算法，基于移動信標改進的DVHop定位算法降低了定位的成本和布網(wǎng)的復(fù)雜度，提高節(jié)點定位的精度和效率。提出基于移動信標改進的DVHop定位算法，該算法在DVHop定位算法的基礎(chǔ)上，利用一個移動的信標節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中按預(yù)定的路徑移動并不斷的廣播自己的位置信息，形成多個虛擬信標，未知節(jié)點采用加權(quán)處理的方法計算平均跳距及其與各虛擬信標的距離，最后利用三邊測量法計算未知節(jié)點的位置信息，實現(xiàn)節(jié)點精確定位。 本論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于信標節(jié)點的無需測距定位算法精度低，定位效率低的情況，本文提出基于移動信標優(yōu)化路徑的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法。根據(jù)現(xiàn)有的路徑規(guī)劃方法，可以把路徑的規(guī)劃分為靜態(tài)和動態(tài)規(guī)劃，靜態(tài)的路徑規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)的連通狀況無關(guān)，根據(jù)需要定位的ROI區(qū)域，規(guī)劃以盡可能短的路徑覆蓋區(qū)域為目標，目前靜態(tài)的路徑主要有隨機移動模型，高斯馬爾可夫移動模型，螺線移動模型和SCAN移動模型。目前國內(nèi)外主要的路徑規(guī)劃均為靜態(tài)的路徑，研究如何使移動節(jié)點的移動軌跡可以盡量覆蓋網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。當采用移動信標在網(wǎng)絡(luò)中移動來廣播定位信息時，移動信標的移動路徑及廣播時間的選取，則很大程序上決定了網(wǎng)絡(luò)定位的能量消耗及定位的效率。本論文針對基于信標的定位算法需要較高的信標節(jié)點密度導(dǎo)致定位成本提高的情況，引入移動信標在網(wǎng)絡(luò)中移動并廣播自己的位置分組信息在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成虛擬信標的方法來定位未知節(jié)點，在DVHop定位算法的基礎(chǔ)上將移動信標構(gòu)成的虛擬信標來計算平均跳距離并結(jié)合跳數(shù)信息來對未知節(jié)點定位，通過規(guī)劃優(yōu)化的路徑來提高定位效率。另外，增加普通節(jié)點的同時，也提高了隨機網(wǎng)絡(luò)的連通度。根據(jù)信標的即時位置信息，新位置的普通節(jié)點知道自身的位置。文獻[27] 則在DVHop的基礎(chǔ)上引入移動的信標形成一種新的MADVHop算法，實現(xiàn)在不提高硬件成本的情況下，又能達到同樣定位效果的構(gòu)想。通過移動信標來定位的主要思想是：移動信標在“感興趣的區(qū)域內(nèi)（Region of interest，簡稱ROI）”[24] 移動的過程中，不斷的廣播包含其當前位置信息的分組，在其通信半徑內(nèi)的節(jié)點將接收到這些廣播分組，當未知節(jié)點接收到三個或者三個以上的與其距離為R的位置信息時，就可以利用三邊測量法或極大似然估計法[17] 計算該未知節(jié)點的位置。通過移動信標，或者說移動信標來對整個網(wǎng)絡(luò)的未知節(jié)點進行定位的方法是最來興起的一種新的定位方法，將節(jié)點裝載在移動機器人上或是進行節(jié)點撒播的飛行器上，并且該節(jié)點裝有GPS或其他定位裝置，這樣就構(gòu)造了移動信標[23] 。無需測距（rangefree）的定位算法不需要直接測量距離信息，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的跳數(shù)，同時根據(jù)已知位置參考節(jié)點的位置等信息估計每一跳的大致距離，然后估出節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置[22] 。為此，國內(nèi)外有許多學(xué)者把移動信標與經(jīng)典的質(zhì)心定位算法、APIT定位算法及DVHop定位算法等相結(jié)合來改進這些定位算法。而移動信標節(jié)點通過引入一個可在網(wǎng)絡(luò)中漫游移動的節(jié)點來廣播自己的位置信息構(gòu)成虛擬信標，從而可以降低定位成本，提高定位效率。由于網(wǎng)絡(luò)定位算法大多依賴于信標節(jié)點的密度，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性。 課題來源本課題來源于國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：60673132）；廣東省自然科學(xué)基金重點項目（編號：07117421）。但由于沒有相應(yīng)的硬件測距支持，定位存在一定程序的誤差，當網(wǎng)絡(luò)中存在障礙物時，節(jié)點間的歐氏距離會因為彎曲路徑而產(chǎn)生較大的誤差，精度也相應(yīng)的降低[21] 。尤其是節(jié)點對能耗，體積等要求嚴格時，更多的時候并不能應(yīng)用這種基于測距的定位技術(shù)。如文獻[19] 通過將幾個未知節(jié)點移動到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度相對稀疏的區(qū)域以彌補節(jié)點密度分布不均勻的不足。但這些算法普遍存在以下局限[18] ：① 依賴特殊硬件的支持；② 需要特殊的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在Bergamo等的研究中，網(wǎng)絡(luò)中有2個固定的信標向全網(wǎng)傳送坐標信息，其余處于運動狀態(tài)的節(jié)點根據(jù)接收到的信號強度進行自身定位[16] 。當然從理論上講，完全可以借鑒靜態(tài)已有的成熟算法，計算出特定時刻的節(jié)點位置，但因為節(jié)點的運動，對定位算法的實時性要求較高，通常的改進方法是加入對節(jié)點運動的預(yù)測估計[15] ，或是使定位算法能自動適應(yīng)不同節(jié)點運動的方式，從而提高對運動節(jié)點的定位準確性。另一種思想則是使信標或者信標運動起來，通過帶有GPS的已知位置的移動信標按某一規(guī)劃好的路徑或運動模型遍歷未知節(jié)點的區(qū)域，并發(fā)送定位信號，其它節(jié)點獲取這些信號來進行定位計算。而Rangefree定位算法由于降低了對節(jié)點硬件的要求，引起了更多的關(guān)注，典型算法有DVHop[10] 算法,基于RSSI的DVHop[11] 算法,基于連通性的定位算法[12] 等。Rangebased算法通過測量相鄰節(jié)點間的實際距離或方位進行定位，測量距離的具體的方法有Time of Arrival(TOA) [6] ，Time Difference of Arrival(TDOA)[7] ，Radio Signal Strength(RSSI)[8] 和Angle of Arrival(AOA)[9] 等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)定位過程中是否實際測量節(jié)點間的距離，把定位機制分為：基于測距的(rangebased)定位和距離無關(guān)的(rangefree)定位方法[5] 。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點能夠自主確定位置被認為是其基本能力和系統(tǒng)的基本服務(wù)之一。因此，節(jié)點的定位問題已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要的研究方向。節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現(xiàn)對外部目標的定位和追蹤。因此，定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，對于大多數(shù)應(yīng)用，不知道節(jié)點位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并傳送給觀察者[2] 。 by acquiring connectivity conditions of the network we optimize the path of mobile beacon. These make increase of positioning accuracy of positioning algorithm and r