【正文】 院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 1． 2． 3 關(guān)鍵技術(shù)與研究熱點(diǎn)問題 作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，同時又是傳感技術(shù)、通信技術(shù)、微機(jī)電 (MEMS，Micro_E1ectroMechanism system)技術(shù)，嵌入式技術(shù)、分布式計算技術(shù)等 多學(xué)科交叉 的 領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)提出便引起了多方面的關(guān)注，這也意味著有眾多關(guān)鍵技術(shù)與熱點(diǎn)問題有待研究 [7]。定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前主要的研究方向是如何利用少數(shù)錨節(jié)點(diǎn)提供的位置信息和其他節(jié)點(diǎn)的通信之間的約束 (鄰居節(jié)點(diǎn)之間無線通信半徑 )，未知節(jié)點(diǎn)估算出自身的位置。 在系統(tǒng)的功耗模型中，在能量優(yōu)化研究方面，西安交通大學(xué)的黃進(jìn)宏等提出了一種基于能量優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織結(jié)構(gòu)和協(xié)議 ALEP。 3．?dāng)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸 目前來看，傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由算法基本上都是以泛洪算法為基礎(chǔ)，通過增加一定的約束條件而形成的。 4．硬件、軟件的設(shè)計和制造 國外有些研究所已經(jīng)開始進(jìn)入了裝置設(shè)計階段，如何利用已有的電源、微電子、微機(jī)械 (納米技術(shù) )、微無線通信等技術(shù)，合理的構(gòu)成微體積長壽命的節(jié)重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 點(diǎn)，也是一個研究課題。厘米級和毫米級的傳感器節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)今的主要研究目標(biāo)。 1． 2． 4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以使人們在任何時間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息，因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、 交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域 。 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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋，大氣和土壤的成分等。 4．緊急和臨時場合 在發(fā)生了地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴或遭受其他災(zāi)難打擊后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施 (如有線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站以及微波接力站等 )可能被全部摧毀或無法正常工作，對于搶險救災(zāi)來說，這時就需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 NAsA的JPL(JetPropulsion Laboratory)實驗室研制的 sensor Webs就是為將來的火星探測進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周圍的環(huán)境監(jiān)測項目中進(jìn)行測試和完善。當(dāng)前在石油鉆井、核電廠和組裝線工作的員工將可以得到隨時監(jiān)控。 1． 3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位問題 位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了 特定事件 ” [8]，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域信息的監(jiān)測。節(jié)點(diǎn)自定位是實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤定位的基礎(chǔ)，本文主要討論前者，即節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)的研究。然而節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其自身的位置信息才有意義，此時節(jié)點(diǎn)的定位便起著至關(guān)重要的作 用。 2．魯棒性 ：傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置低、能量少、可靠性差，測量距離時會產(chǎn)生誤差，算法必須具有較好的容錯性． 3．能量高效 ：盡可能地減少算法中計算的復(fù)雜性，減少節(jié)點(diǎn)的通信開銷，以盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。近年來隨著無線通信技術(shù)、姬惦、 S0C的發(fā)展，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想藍(lán)圖能夠得以實現(xiàn)，其應(yīng)用前景越來越廣，引起人們的廣泛關(guān)注。如南加州大學(xué) Nirupama Bulusu等學(xué)者提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)連通性的 centroid算法，由D． Niculescu和 B． Nath等人 提出了經(jīng)典的距離矢量路由算法 —— DVhop算法，還有 Amorphous、 APIT等等算法。最近一些應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)也相繼被提出，其中較有代表性的研究成果包括 RADAR系統(tǒng) 、 Active Bat系統(tǒng)、 Active Badge系統(tǒng) 、 MeduSa系統(tǒng) 、 cricket系 統(tǒng) 、 AHL0s系統(tǒng) 等等。 事實上，經(jīng)過這些年的努力，目前一些技術(shù)和處理算法都能夠在一定程度上解決無線傳 感器節(jié)點(diǎn)的自身定位問題，但每一種不同的處理方法或算法都是用來解決不同的問題或支持不同的應(yīng)用，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，在相對的條件下很多都能達(dá)到很好的效果，但真正的應(yīng)用還很少，而且一般條件限制都是很嚴(yán)格的。 我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及其應(yīng)用幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動。目前國內(nèi)研究重點(diǎn)主要集中在穿戴式計算、上下 文感知環(huán)境、智能教室等領(lǐng)域，在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題方面的研究還不多。 馬祖長 等提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種節(jié)點(diǎn)定位算法，使用平均每跳距離乘以節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)代替實際的距離測量，利用多參考節(jié)點(diǎn)的冗余位置信息，實現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的可靠定位。而陳紅陽等則重點(diǎn)研究基于距離的定位算法，提出了基于接收信號強(qiáng)度均值的定位方案，并且在現(xiàn)場環(huán)境下驗證了該方案的計算效率和定位性能。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀。 2．鼓勵創(chuàng)新性研 究，實施知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略。 1． 5 本文主要工作與章節(jié)安排 布局和覆蓋問題、定位問題、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的幾個基本問題。從各種性能指標(biāo)來看，距離無關(guān) (Range— free)定位算法很適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，但其問題在于受到錨節(jié)點(diǎn) (Anchor node)成本高和無法高密均勻布設(shè) (稱為錨節(jié)點(diǎn)稀疏問題硎 )的限制。 本論文內(nèi)容安排如下： 第一章：簡單介紹本課題的研究背景和意義，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述；介紹了節(jié)點(diǎn)自身定位問題。 第三章：分析了典型的距離無關(guān)定位算法。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位技術(shù) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用中，用戶關(guān)心的一個重要問題是：在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必 須知曉自身所在的位置，才能夠有效的說明被檢測物體的位置，從而實現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位、跟蹤等。節(jié)點(diǎn)定位問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)諸多應(yīng)用的前提，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的基礎(chǔ)性問題和熱點(diǎn)問題之一。 1．距離的精確測量 在基于距離測量的定位算法中，網(wǎng)絡(luò)中每個未知節(jié)點(diǎn)都需要測量其與各錨節(jié)點(diǎn)之間的距離 (或角度 )。常用的測距技術(shù)有； TOA， TDOA， RssI， AOA等。限于傳感器節(jié)點(diǎn)有限的硬件資源，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。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 表 21 測距方案對比 信號傳輸時間 TOA of radio（ CPS） 信號強(qiáng)度 RSSI of radio 超聲波 TOFof UItrasound 精確度 510m 24m 2m 最大距離 無限制 100m 10m 功率 175m W 75m 75m 受 障 礙 物干擾情況 易受植物與建筑物等障礙物阻擋、非視距傳播影響，在室內(nèi)環(huán)境下幾乎無效 受新號表減、反射、多徑傳播干擾，可能導(dǎo)致不可預(yù)測的測量誤差 在直線可視范圍內(nèi)較精確，但易受障礙物阻擋 造價 低于 100s 0S 低于 60S 2．距離的估計測量 在距離無關(guān)定位算法中的一些算法 (如 DV— hop算法 )，也需要 測知未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，但并不是采用上述精確測量手段，而是計算跳數(shù)和跳段距離來估測未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，其估測方法分兩個步驟： 1)計算未知節(jié)點(diǎn)與每個錨節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù) ：錨節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自身位置信息的分組，其中包括跳數(shù)字段，初始化為 O。然后將跳數(shù)值加 l，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)。如圖 2． 1所示。然后，錨節(jié)點(diǎn)將計算的每跳平均距離用帶有生存期字段的分組廣播至網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點(diǎn)僅記錄接收到的第一個每跳平均距離，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)。未知節(jié)點(diǎn)接收到 平均每跳距離后，根據(jù)記錄的跳數(shù)，計算到每個錨節(jié)點(diǎn)的跳段距離。一節(jié)點(diǎn)能與另外節(jié)點(diǎn)相互通信，則它們均處于對方信號的覆蓋范圍內(nèi)，如圖 2． 2所示，節(jié)點(diǎn) M能夠與節(jié)點(diǎn) A， B， C通信，節(jié)點(diǎn) M處于三個節(jié)點(diǎn)通信區(qū)域重疊的幾何范圍內(nèi)。基于幾何方式估計節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的算法有 centroid算法， Boundingbox算法，凸規(guī)劃算法 (convex hull)等。其主要原理是：若未知節(jié)點(diǎn) M到錨節(jié)點(diǎn) A的距離血，那么 M可能出現(xiàn)在以 A為圓心， d。 圖 三邊測量法圖示 如圖 ，錨節(jié)點(diǎn) A、 B、 C的坐標(biāo)分別為（ X1,Y1） ,(X2,Y2),(X3,Y3),到未知節(jié)點(diǎn) M的距離分別為 d1,d2,d3,假設(shè) M的坐標(biāo)為（ X,Y），用公式表示為： 求解 M的坐標(biāo) (X,Y)為： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 三邊測量法的缺點(diǎn)是：若在測距過程中存在誤差，上述三個圓則無法交于一點(diǎn)，用存在誤差的 d1,d2,d3去解上述方程時便無法得到正確解，因此，在實際計算坐標(biāo)時，一般不采用上述解方程地方法，而采用極大似然估計法或其他數(shù)值解法。 4．迭代優(yōu)化與遞歸定位 該階段是可選的，主要目的是優(yōu)化上一階段中節(jié)點(diǎn)位置的計算結(jié)果，由于并非前兩個階段中所有有用的信息都會起到作用，且測距和計算的過程中本身就存在相當(dāng)可觀的誤差，因此上一階段計算出的位置并不十分準(zhǔn)確，即便是在連通度較高、測距誤差較小的理想條件下。 1．定位精度。例如，定位精度為 20％ 表示定位誤差相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)通信半徑的 20％。 2．定位覆蓋率。 3．能耗。重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 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。 4．錨節(jié)點(diǎn)比例。因此，錨節(jié)點(diǎn)比例也是評價定 位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一． 5．代價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間。資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法 的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用 【 13】 。 2． 3 節(jié)點(diǎn)自身定位算法的分類 2． 3． 1 分布式與集中式 集中式計算是指把所需信息傳送到某個中心節(jié)點(diǎn)，如服務(wù)器或 sink節(jié)點(diǎn)，并由該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計算的方式，分布式計算是指依賴節(jié)點(diǎn)間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點(diǎn)自行計算的方式。它的缺點(diǎn)包括：與中心節(jié)點(diǎn)位置較近的節(jié)點(diǎn)會因為通信流量過大而過早地消耗完電能，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)與中心節(jié)點(diǎn)信息交流的中斷、無法實時定 位等。集中式定位算法包括凸規(guī)劃 、 MDSMAP等。遞增式的定位算法通常從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)開始，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)首先定位，依次向外延伸，各節(jié)點(diǎn)逐次進(jìn)行定位，這類算法的主要缺點(diǎn)是定位過程中傳播、累積測量誤差；并發(fā)式的定位算法中所有的節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行位置計算。一般而言，細(xì)粒度的定位技術(shù)大部分是 Rangebased，又可細(xì)分為基于距離和基于方向性測量兩類；粗粒度一般是 Range— free的，其原理是利用某種物理現(xiàn)象來感應(yīng)是否有目標(biāo)接近一個已知的位置。絕對定位可為網(wǎng)絡(luò)提供惟一的命名空間，受傳感器節(jié)點(diǎn)移動的影響較小，有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。大多數(shù)定位系統(tǒng)和算法都可實現(xiàn)絕對定位服務(wù)，典型的相對定位算法和系統(tǒng)有SPA(SelfPositioning Algorithm)， Spot0N， LPS(Local Positioning System)，而 MDSMAP定位算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的不同分別實現(xiàn)兩種定位。 通過測量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算節(jié)點(diǎn)位置稱為距離相關(guān)的定