【正文】 身的精確位置。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中，傳感器節(jié)點自身的正確定位是提供監(jiān)測事 件位置信息的前提。傳感器節(jié)點自身定位就是根據(jù)少數(shù)已知位置的節(jié)點， 按照某種定位機制確定自身的位置。 １．５無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位原理與機制 無線傳感器節(jié)點通 常隨機布置在不同的環(huán)境中執(zhí)行各種監(jiān)測任務(wù)，以自組織 的方式相互協(xié)調(diào)工作，最常見的例子是用飛機將傳感器節(jié)點布撒到指定的區(qū)域 中。因此，該領(lǐng)域 還有待更多的人提出更好的方法，以求更好地解決定位問題。 目前，研究人員更多的是把研究重點放在Ａｄｈｏｅ式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算 法的研究上，提出了大量針對ＷＳＮ的分布式、低功耗定位算法１４２舶】，如質(zhì)心算 法【４５１、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ算法１４６１、ＳＰＡ相對定位算法【４７１、ＤＶ－Ｈｏｐ算法［４８－４９］、ＤＶ－Ｄｉｓｔａｎｃｅ 算法［４９－４９］、Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ算法［４９－４９１、ＤＶ－Ｂｅａｒｉｎｇ算法【５０】、Ｄｖ．Ｒａｄｉａｌ算法【５０１、凸規(guī) 劃定位算法階１１、ＡＰＩＴ算法【５２】、ＭＤＳ．ＭＡＰ算法【５３１等，這些 算法在相對的條件 下很多都能在某些方面（如定位精度、信標節(jié)點密度等）達到一定的效果，但真 正的應(yīng)用還很少，而且一般條件限制都是很嚴格的。劉Ｉ目ｔｊ［４０［等人介紹了利用聲波測距的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的 實現(xiàn)策略，對具體實現(xiàn)機制進行了分析并給出相關(guān)結(jié)論。該算法首先找到一個曾監(jiān)測到目標的節(jié)點，然后利用相鄰節(jié)點間的 本地消息跟蹤目標的運動軌跡。 目前國內(nèi)對基于ＷＳＮ的定位技術(shù)研究還不多，史龍１３７】等人在綜合分析大量 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的技術(shù)文獻和最新研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，從測距技術(shù)和算 法兩方面闡述了定位機制的局限性，著重論述和比較了現(xiàn)有的六種定位算法，指 出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位問題的研究方向。具體定位過程為：未知節(jié)點首先利用 Ⅱ ）０Ａ方法測量與其鄰居節(jié)點的距離；當未知節(jié)點的鄰居節(jié)點中信標節(jié)點的數(shù)量 大于或等于三個時，就利用極大似然估計方法計算自身位置，隨后該節(jié)點轉(zhuǎn)變成 新的信標節(jié)點，稱為轉(zhuǎn)化信 標節(jié)點，并將自身的位置廣播給鄰居節(jié)點；隨著系統(tǒng) 中轉(zhuǎn)化信標節(jié)點數(shù)量不斷增加，對于原來鄰居節(jié)點中信標節(jié)點數(shù)量少于三個的未 知節(jié)點，將逐漸擁有足夠的鄰居信標節(jié)點，就能夠利用極大似然估計方法計算自 身的位置。然后通過比較到各個臨 近信標節(jié)點的距離，選擇出離自己最近的信標節(jié)點，從該信標節(jié)點廣播的信息中 取得自身的位置。它是Ｏｘｙｇｅｎ項目的一 部分，用來確定移動或靜止節(jié)點在大樓內(nèi) 的具體房間位置。它提供了場景分析和三邊測量兩種實現(xiàn)方式。 研究者們針對不同的環(huán)境要求等提出各種各樣的解決方案，其中比較有代表 性的現(xiàn)有定位系統(tǒng)有ＲＡＤＡＲ［；４］、Ｃｒｉｃｋｅｔ［３５１、ＡＨＬｏｓ［３６１等。這種方法在較高的信標節(jié)點通訊區(qū)域重疊率（或者與此等同的，較高的信標 節(jié)點密度）的情況下，能夠獲得較好的位置估算精度。這里要求節(jié)點必須規(guī)則地擺放，并且對各收發(fā)器的全體輪 詢這些條件都很大程度地限制了這種方法的可應(yīng)用性。而人工部署和為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝ＧＰＳ接收器都會 受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現(xiàn)，因 此必須針對其密集性且節(jié)點的計算、存儲和通信等能力都有限的特定條件，設(shè)計 有效的低功耗定位算法。所以， 定位的精度和傳感器節(jié)點的能量這個矛盾還是目前比較棘手的難點． １．４國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從ＡＴ＆ＴＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓＣａｍｂｒｉｄｇｅ于１９９２年開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Ａｃｔｉｖｅ Ｂａｄｇｅ［３ｔ－３２］至今，研究者們一直致力于開發(fā)能夠自定位的 系統(tǒng)和算法。 理想的無線傳感器定位算法應(yīng)該適合更一 般的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，無需特殊的距離測 量硬件設(shè)備，節(jié)點也無需預(yù)先布置，節(jié)點密度低，節(jié)點分布不規(guī)則，并且所有節(jié) 點可以不受控制地移動。基于跳數(shù)的定位技術(shù)可以不需要大量的信標節(jié)點，但要求傳感器節(jié)點的高密 度和均勻分布。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位問題的研究在國內(nèi)才剛剛起步，國外雖有一定研 究，但偏重于定位算法的理論研究，距離實用化還有一定的差距。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點能量有限、可靠性差、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大且節(jié)點 隨機布放、無線模塊的通信距離有限，對定位算法和定位技術(shù)提出了很高的要求。 在機器人領(lǐng)域中，機器人節(jié)點的移動性和自組織性等特性，使其定位技術(shù)與 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)有一定的相似性，但是機器人節(jié)點通常攜帶充足的能 量供應(yīng)和精確的測距設(shè)備，并且系統(tǒng)中機器人節(jié)點的數(shù)量很少，機器人領(lǐng)域的定 位算法往往沒有考慮算法復(fù)雜度和能量消耗問題。而且傳感器網(wǎng)絡(luò)很可能處于衛(wèi)星信號達不到 的地方。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) （ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ）是目前應(yīng)用最廣泛最成熟的定位系統(tǒng)，ＧＰＳ系統(tǒng) 利用精確的同步衛(wèi)星時鐘提供授時和測距以對用戶節(jié)點進行定位，具有定位精度 高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是ＧＰＳ定位僅適應(yīng)于無遮擋的室外環(huán) 境，其用戶設(shè)備通 常能耗高體積大，成本也較高。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位機制與算法包括兩部分：節(jié)點自身定位和外部目標定 位，前者是后者的基礎(chǔ)。 １．３無線傳惑器網(wǎng)絡(luò)中的定位問題 作為一種全新的技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向科技工作者提出了許 多具有挑戰(zhàn)性 的研究課題，定位就是其中之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可 實現(xiàn)家居環(huán)境、工作環(huán)境智能化１３０１，比如，嵌入到家具和家電中的傳感器與執(zhí) 行機構(gòu)組成的無線網(wǎng)絡(luò)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ連接在一起將會為我們提供更加舒適、方便 和具有人性化的智能家居環(huán)境。ＮＡＳＡ的ＪＰＬ（Ｊｅｔ ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）實驗室研制的Ｓａ］ＳＯｉ＂Ｗｅｂｓ就是為將來的火星探測進行技 ８ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 術(shù)準備，己在佛羅里達宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進行測試和完善。此外，在藥物管 理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應(yīng)用。還可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間地收集 人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測 對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來太多的不便。 （３）醫(yī)療健康 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來的遠程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實現(xiàn)手段。類似地，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對森林火災(zāi)準 確、及時地進行預(yù)報也應(yīng)該是有幫助的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機性的研究數(shù) 據(jù)獲取提供了方便，可以實現(xiàn)諸如野生動植物棲息地生態(tài)環(huán)境監(jiān)控，比如，跟蹤 候鳥和昆蟲的遷移。 （２）環(huán)境科學(xué) 隨著人們對 于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來越廣泛。 （１）軍事應(yīng)用 在軍事領(lǐng)域，由于無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)具有快速布設(shè)、自組織和容錯等特性，可 用來建立一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn) 場指揮系統(tǒng)。 ７ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 １．２．４無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 ＭＥＭＳ支持下的微小傳感器技術(shù)和節(jié)點間的無線通信能力為傳感器網(wǎng)絡(luò)賦 予了廣闊的應(yīng)用前景，主要在軍事、環(huán)境保護、醫(yī)療以及商業(yè)等領(lǐng)域有著巨大的 優(yōu)勢。傳 統(tǒng)的Ａｄｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計時一般將服務(wù)質(zhì)量（Ｑｏｓ）放在第一位，能量效率放 在第二位考慮，所以，無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的特征所決定的講究高能量效率的路由協(xié) 議無法采用傳統(tǒng)的路由算法。 （７）路由協(xié)議 節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸上所消耗的能量是最大的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的模塊性高，要求操作系統(tǒng) 能夠讓應(yīng)用程序方便地對硬件進行控制，且在保證不影響整體開銷的情況下，應(yīng) 用程序中的各個部分能夠比較方便地進行重新組合。 （６）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。超寬帶技術(shù)（Ｕ、 Ⅳ Ｂ）是一種極具潛力的無線通信技術(shù)。ＩＥＥＥ８０２．１５４標準是針對低速無 線網(wǎng)絡(luò)的無線通信標準，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標，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)一標準。除此之外，為了確保數(shù)據(jù)融 合后數(shù)據(jù)源信息的保留，水印技術(shù)也成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究內(nèi)容。如何保證任務(wù)執(zhí)行的機密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可 靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕统蔀闊o線傳感器網(wǎng) 絡(luò)安全問 題需要全面考慮的內(nèi)容。內(nèi)于傳感器節(jié)點的易失效性，傳感器網(wǎng) 絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對多份數(shù)據(jù)進行綜合，提高信息的準確度。考慮采用能效高的網(wǎng) 絡(luò)通信協(xié)議和數(shù)據(jù) 局部處理策略（如數(shù)據(jù)融合技術(shù)）是一種可行的解決思路。 （３）數(shù)據(jù)處理 節(jié)點實現(xiàn)采集、計算或傳輸功能，需要消耗能量。許多對目標定位與跟蹤應(yīng)用的研究更是將節(jié)點位置已知 作為一個前提條件。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節(jié)點必須 能夠在布置后確定自身位置。位置信息是傳 感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分阱】，確定事件發(fā)生的位置或者采集數(shù)據(jù)的 節(jié)點位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。 （２）定位技 術(shù) 節(jié)點定位是確定每個傳感器節(jié)點在系統(tǒng)中的相對位置或絕對地理坐標。這些特點使得傳統(tǒng)的時間 同步機制難以適用。影響時間同步精度的因素有 很多，其中一個主要因素是同步報文本地處理時間的不確定性，如緩存、ＭＡＣ 協(xié)議處理、回退等有時會引起幾百毫秒的誤差。 （１）時間同步 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個節(jié)點的 能力非常有限，整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的 功能需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點相互配合共同完成。目前使用的大部分都是自身存儲一定 能量的化學(xué)電池。 （４）能量供應(yīng)模塊。無線通信模塊主要由低功耗、短距離的無線射頻電路 和收發(fā)器組成。負責(zé)控制和協(xié)調(diào)無線傳感器節(jié)點各部分的工作。 （２）數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊主要由各種傳感器及輔助電路組成。在不同的具體應(yīng)用中采用的傳感器節(jié)點不盡相同，但是傳感器節(jié)點 一般都由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊等部分組 成，如圖１．２所示。典型的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖１．１所示。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進 行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域（ｓｅｎｓｏｒｆｉｅｌｄ）內(nèi)部或附近，能 夠通過自組織方 式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。 這些特點決定了一些傳統(tǒng)的算法不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也是由于以上特 點給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了新的研究內(nèi)容。無線自組織網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡(luò)，由于采用 無線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，它更加容易受到被動竊聽、主 動入侵、 拒絕服務(wù)、剝奪 “ 睡眠 ” 等網(wǎng)絡(luò)攻擊。這樣每個節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié) 點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。 （５）多跳路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常運行在人類無法直接接 近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，能源無法替代，只能選擇紐扣式電池供電，電 源能量極其有限，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄。傳感器 節(jié)點的通信帶寬有限且經(jīng)常變化，其通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸技術(shù)作為底層通信 手段，由于無線信道本身的物理特性，它所能 提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道要低 得多。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件必須具有高強壯性和容錯性， 相應(yīng)的通信協(xié)議必須具有可重構(gòu)和自適應(yīng)性。根據(jù)應(yīng)用的不同， 傳感器節(jié)點的數(shù)量可能達到幾百萬個，甚至更多。由于體積、成本以及能量的 限制，嵌入式處理器和 存儲器的能力和容量有限，因此傳感器的計算能力十分有限。另外，從應(yīng)用角度講，減小節(jié)點尺寸也是必須 考慮的設(shè)計要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點是： （１）傳感器節(jié)點要求小型化和微型化，節(jié)點計算能力有限。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的這些特殊性，導(dǎo)致它與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在許多差異。在無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止的。如果說Ｉｎｔｅｍｅｔ構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式， 那么，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一 起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線Ａｄｈｏｅ網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究分支，是隨著微 機電系統(tǒng)（Ｍｉｃｒｏ．Ｅｌｅｃｔｒｏ．ＭｅｃｈａｎｉｓｍＳｙｓｔｅｍ，簡稱ＭＥＭＳ）、無線通訊和數(shù)字電子 技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的信息獲取和處理模式。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的定 位對各 種應(yīng)用有著極其重要的作用。節(jié)點位置信息可以用來輔助 路Ｆ｛ｑｆ７４１，如利用節(jié)點的位置信息進行數(shù)據(jù)傳遞的地理路由協(xié)議，避免信息在 整 個網(wǎng)絡(luò)中的擴散，并可以實現(xiàn)定向的信息查詢，提高路由效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要在這些特殊區(qū)域應(yīng)用，首先必須 ２ 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 要解決的問題是以最小的通信開銷和硬件代價實現(xiàn)節(jié)點定位。 （２）由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作區(qū)域通常是人類不適合進入的區(qū)域或者是 敵對區(qū)域，傳感器節(jié)點需要通過飛行器拋撒于工作區(qū)域， 節(jié)點的位置都是隨機的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、 城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許 多領(lǐng)域都有重要的科研價值和巨大實用價值，已經(jīng)引起了世界許多國家軍界、學(xué) 術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，并成為２ｌ世紀公認的新興前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，被認 為是將對二十一世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。 節(jié)點定位算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的一部分，對其進行學(xué)習(xí)研究有 很重要的意義，主要體現(xiàn)在以下三點： （Ｉ）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當前國際