文獻(xiàn)綜述尹敏2010版

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)文獻(xiàn)綜述題目:Amorphous定位算法仿真與分析專業(yè)：________通信工程________班級(jí):__2010級(jí)通信2班____學(xué)生：___________________學(xué)號(hào)：_________________指導(dǎo)老師:____________重慶交通大學(xué)2014年Amorphous定位算法仿真與分析文獻(xiàn)綜述引言近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro．MechanismSystemMEMS)、片上系統(tǒng)(SystemOnChip，SOC)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，與當(dāng)今主流無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，均使用802．15．4的標(biāo)準(zhǔn)，由具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自配置的網(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)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)給觀察者。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取和處理能力使得其應(yīng)用范圍十分廣泛，可以被應(yīng)用于軍事、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、家居、工業(yè)等領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已得到越來越多的關(guān)注。美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)改變世界的十大新興技術(shù)之首。由此可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來巨大的變革。第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹及現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]主要由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微型、具有感知及無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)間以無線通信方式構(gòu)成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。其能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，將獲取到的信息發(fā)送到任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)或者需要這些信息的用戶。目前，最成功的，使用最廣泛的定位系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)（GPS）,GPS定位系統(tǒng)具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，但是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用GPS定位系統(tǒng)來獲得所有節(jié)點(diǎn)的位置方案并不可行，至少目前還存在很大困難。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種對(duì)成本，體積和功耗極為敏感的系統(tǒng)，使用GPS定位節(jié)點(diǎn)極為“奢侈”的。因此目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)主要是通過網(wǎng)絡(luò)中少量位置已知的節(jié)點(diǎn)來獲取其他未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。近年來，研究人員提出了許多無線傳感器的節(jié)點(diǎn)定位算法，各種節(jié)點(diǎn)定位算法在某些性能指標(biāo)上可能存在優(yōu)勢(shì)，而其他性能方面可能存在不足。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位與具體應(yīng)用有關(guān)，定位條件和要求會(huì)有所不同，因此，要針對(duì)具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)和采用適合的定位方案。1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)[3]（如圖1.1所示），通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornode)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域(∞nsorfield)內(nèi)部或附近，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，傳輸過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理。經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系機(jī)構(gòu)Internet或通信衛(wèi)星控制中心傳感器節(jié)點(diǎn)Internet或通信衛(wèi)星控制中心傳感器節(jié)點(diǎn)傳感區(qū)域Sink節(jié)點(diǎn)Internet或通信衛(wèi)星控制中心傳感器節(jié)點(diǎn)傳感區(qū)域Sink節(jié)點(diǎn)Internet或通信衛(wèi)星控制中心傳感器節(jié)點(diǎn)傳感區(qū)域Sink節(jié)點(diǎn)Internet或通信衛(wèi)星控制中心傳感器節(jié)點(diǎn)傳感區(qū)域Sink節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成具有高度模塊化的特點(diǎn)，主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。如圖1.2所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)和其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能最供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。傳感器模塊傳感器模塊處理器模塊無線通信模塊傳感器ADC網(wǎng)絡(luò)MAC收發(fā)器能量供應(yīng)塊處理器存儲(chǔ)器圖1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成模塊傳感器節(jié)點(diǎn)兼有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理之外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力。它把傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能、僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先受到單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件資源的約束。傳感器節(jié)點(diǎn)普遍體積微小，成本低，其攜帶的電池能量非常有限且通常不可更換；節(jié)點(diǎn)的無線通信帶寬非常有限。通常只有幾百kbps的速率，通信半徑一般不超過100米；作為一種微型的嵌入式設(shè)備，其處理器的計(jì)算能力比較弱，存儲(chǔ)空間?。捎趥鞲衅鞴?jié)點(diǎn)通信能力有限，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域較大，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用多跳路由的傳輸機(jī)制。為了獲取精確信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)通常存在大量節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)密度較高。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用隨機(jī)布撒的方式，工作于沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地方，節(jié)點(diǎn)的位置和相互鄰居關(guān)系無法預(yù)知，因此要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溆锌赡芤驗(yàn)楣?jié)點(diǎn)故障、通信鏈路變化、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和新節(jié)點(diǎn)的加入等原因而發(fā)生變化，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)要能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)?，具有?dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境通常較為惡劣，并且無人值守，因此要求軟硬件系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)與客觀的物理世界直接交互，其應(yīng)用場(chǎng)景非常多樣，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與應(yīng)用具有較高的相關(guān)度。傳感器網(wǎng)絡(luò)不具有全局統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，無法采用以地址為中心的查詢方式；在查詢中人們通常只關(guān)心某一數(shù)據(jù)值，而不關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因此傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)顯示了其與無線自組網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，也要求人們必須針對(duì)這些特點(diǎn)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位節(jié)點(diǎn)定位[21]是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。節(jié)點(diǎn)定位得到了研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的重視，目前為止已經(jīng)研究出來許多適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，這些節(jié)點(diǎn)定位的技術(shù)和方法與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用有關(guān)，使用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。下面從節(jié)點(diǎn)定位的基本概念、節(jié)點(diǎn)位置的計(jì)算方法、定位算法的分類和性能分析等方面分析目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)原理和發(fā)展現(xiàn)狀。2.1節(jié)點(diǎn)定位概念定位，簡(jiǎn)單的說就是確定目標(biāo)的位置信息。在WSN中，位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)活動(dòng)至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)消息中所需要的重要信息。wsN中定位算法的研究有著重要的意義，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)WSN中的很多特定應(yīng)用都依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)或者目標(biāo)物體的地理位置信息，不知道傳感器位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的。比如在戰(zhàn)場(chǎng)中對(duì)敵方軍事目標(biāo)的定位可以有利于集中火力進(jìn)行打擊；在智能交通應(yīng)用中，可以監(jiān)測(cè)特定車輛的位置和運(yùn)動(dòng)情況；在目標(biāo)跟蹤應(yīng)用中，實(shí)時(shí)監(jiān)視目標(biāo)的行動(dòng)路線，預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡等等。(2)WSN的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和管理也需要節(jié)點(diǎn)位置信息的輔助。例如基于地理信息的路由、資源的有效配置、對(duì)外部目標(biāo)的定位和追蹤、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、控制網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡等。根據(jù)WSN的特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法具備以下特點(diǎn)：(1)自組織性：傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位。(2)健壯性：傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置低、能量少、可靠性差，測(cè)量距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，算法必須具備良好的健壯性。(3)能量有效性：盡可能地減少定位算法中計(jì)算的復(fù)雜性、減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，以盡量長(zhǎng)的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。通信開銷中傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是能量的消耗。2.2定位算法的概念在WSN節(jié)點(diǎn)自身定位算法[12]的研究中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身的位置信息，把傳感器節(jié)點(diǎn)分類為錨節(jié)點(diǎn)(beaconnode)和未知節(jié)點(diǎn)(unknownnode)。錨節(jié)點(diǎn)通過人工部署或配置GPS定位設(shè)備等手段獲得自身的精確位置信息，它們?cè)赪SN中所占的比例比較小，其部署目的就是協(xié)助未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。而分布在WSN中的未知節(jié)點(diǎn)則是依靠錨節(jié)點(diǎn)提供的輔助信息，按照一定的算法來計(jì)算得到自身的估計(jì)位置。錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)在WSN中，的部署關(guān)系如圖2—1所示。無線傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)錨節(jié)點(diǎn)圖2.1傳感器節(jié)點(diǎn)部署其它的相關(guān)概念包括：鄰居節(jié)點(diǎn)(neighbornode)：指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的所有其它節(jié)點(diǎn)。跳數(shù)(Hopcount)：指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)。跳段距離(Hopdistance)：指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的各跳距離之和?；A(chǔ)設(shè)施(infrastmctm)：指協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的己知自身位置的固定設(shè)施。到達(dá)時(shí)間(timeofarrival，TOA)：指信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間。到達(dá)時(shí)間差(timedifferenceofarrvial，TDOA)：指兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(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。接受信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(receivedsignalstrengthindicator，RSSD：指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。到達(dá)角麒angleofarrival，AOA)：指節(jié)點(diǎn)接受到的信號(hào)相對(duì)于自身軸線的角度。視線關(guān)系(1ineofsight，LOS)：指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物間隔，能夠相互之間進(jìn)行無線通信。非視線關(guān)系(nofineofsight，NLOS)：指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在障礙物。2.3定位算法的分類WSN定位算法的分類[7]方法有多種，以下是幾種常見的分類方法：(1)基于測(cè)距的(Range—based)定位和無需i雌i(Range-free)的定位基于測(cè)距的定位通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的距離或角度信息，并使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法定位法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置；而無需測(cè)距的定位則僅僅依靠網(wǎng)絡(luò)連通性等信息進(jìn)行定位。前者通常使用的測(cè)距技術(shù)有RSS、TOA、AOA、TDOA。為了采用基于測(cè)距的定位算法，就必須在傳感器節(jié)點(diǎn)上額於配備測(cè)距裝置，這在～定程度上增加了節(jié)點(diǎn)的成本和功耗，并且由于目前的測(cè)距技術(shù)誤差比較大，這直接影響了節(jié)點(diǎn)定位的精度，一般的做法是通過多次測(cè)量和循環(huán)定位求精來減小測(cè)距誤差對(duì)定位的影響，但這一過程又需要額外的計(jì)算量和通信量?；跍y(cè)距的定位算法與無需測(cè)距的定位算法相比雖然有著成本較高、能耗較高、計(jì)算量和通信量較大的不足，但是前者的定位精度一般都要比后者高?？梢韵嘈?，隨著技術(shù)進(jìn)步，更精確、能耗更小的測(cè)距技術(shù)的出現(xiàn)，以及對(duì)定位精度的更高要求，基于測(cè)距的定位算法將獲得更好的發(fā)展空間。(2)絕對(duì)定位和相對(duì)定位絕對(duì)定位必須讓所有的待定位節(jié)點(diǎn)使用共同的參照系，其定位結(jié)果是一個(gè)全局性的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)位置，比如用經(jīng)度和緯度表示出來。對(duì)同一地理位置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次絕對(duì)定位，其定位結(jié)果將是一樣的，而采用相對(duì)定位，結(jié)果則可能不同。相對(duì)定位可以讓每個(gè)定位節(jié)點(diǎn)使用不同的參照系，通常是以網(wǎng)絡(luò)中的部分節(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)。文獻(xiàn)指出，在一定條件下，絕對(duì)定位結(jié)果可以轉(zhuǎn)換為相對(duì)定位結(jié)果。相比而言，絕對(duì)定位可為網(wǎng)絡(luò)提供唯一的命名空間，受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性影響小，有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但在相對(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(geo-routing)。通常為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位，需要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署一定比例的錨節(jié)點(diǎn)或中心節(jié)點(diǎn)，而相對(duì)定位不需要錨節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)?？傊^對(duì)定位算法依賴于網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施或具有GPS等特殊定位方式的錨節(jié)點(diǎn)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署有特定要求，從而可能受限于傳感器成本和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境等原因無法適用于某些實(shí)際應(yīng)用。(3)集中式計(jì)算的定位和分布式計(jì)算的定位在集中式計(jì)算的定位算法中，要求網(wǎng)絡(luò)中部署中心節(jié)點(diǎn)，其余傳感器節(jié)點(diǎn)把采集的相關(guān)信息傳送到中心節(jié)點(diǎn)，并通過中心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息。這類典型算法包括N．Hopmultilaterationprimitive算法、convexOptimization算法和MDS-MAP算法。這類算法可以不受計(jì)算和存儲(chǔ)性能的限制，獲得相對(duì)精確的定位，但是由于定位運(yùn)算對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的過分依賴性，在中心節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)橥ㄐ砰_銷過大而成為瓶頸，并過早消耗完能源，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與中心節(jié)點(diǎn)信息交流受阻或中斷。分布式計(jì)算【刎定位算法則是指依賴節(jié)點(diǎn)間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點(diǎn)自行計(jì)算的定位方式，相對(duì)于前者，它具有更大的靈活性。(4)基于錨節(jié)點(diǎn)的定位和無錨節(jié)點(diǎn)的定位這種分類方式類似于絕對(duì)定位與相對(duì)定位的分類。絕對(duì)定位與相對(duì)定位是從定位效果上來進(jìn)行分類，而基于錨節(jié)點(diǎn)的定位與無錨節(jié)點(diǎn)的定位是從定位手段上來進(jìn)行分類?；阱^節(jié)點(diǎn)的定位算法在定位過程中使用了錨節(jié)點(diǎn)，并以它作為定位中的參考點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)定位后產(chǎn)生整體絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)；無錨節(jié)點(diǎn)的定位算法不用部署錨節(jié)點(diǎn)，它依靠節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置，以網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，形成局部坐標(biāo)系，相鄰的局部坐標(biāo)系再依次轉(zhuǎn)換合并，最后產(chǎn)生整體相坐標(biāo)系統(tǒng)。2.4定位算法的性能分析WSN自身定位系統(tǒng)和算法的性能直接影響其可用性。目前定位算法性能評(píng)價(jià)的模型化和量化還是個(gè)熱點(diǎn)問題，不過已經(jīng)有研究入員提出了某些可行的評(píng)價(jià)指標(biāo)。定位精度：這是定位技術(shù)的首要指標(biāo)，只有滿足一定定位精度的定位系統(tǒng)才有實(shí)用價(jià)值，一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)無線射程的比例表示。規(guī)模：不同的定位系統(tǒng)或算法也許可在園區(qū)內(nèi)、建筑物內(nèi)、一層建筑物或僅僅是一個(gè)房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。另外，給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或在一段時(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)。錨節(jié)點(diǎn)密度：錨節(jié)點(diǎn)定位通常依賴人工部署或GPS實(shí)現(xiàn)。人工部署錨節(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，錨節(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)，這意味著即使僅有10％的節(jié)點(diǎn)是錨節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格也將增加lO倍。因此，錨節(jié)點(diǎn)密度也是評(píng)價(jià)定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。節(jié)點(diǎn)密度：在WSN中，節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加，而且會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)問的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。節(jié)點(diǎn)密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示。容錯(cuò)性和自適應(yīng)性：通常，定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。但在真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)合中常會(huì)有諸如以下的問題：外界環(huán)境中存在嚴(yán)重的多徑傳播、衰減、非視距(non．1ine-of-sight，簡(jiǎn)稱NLOS)、通信盲點(diǎn)等問題；網(wǎng)絡(luò)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(cè)量誤差增大的問題。由于環(huán)境、能耗和其它原因，物理地維護(hù)或替換傳感器節(jié)點(diǎn)或使用其它高精度的測(cè)量手段常常是十分困難或不可行的。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，以提高定位精度。功耗：功耗是對(duì)WSN的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)影響最大的因素之一。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，與功耗密切相關(guān)的定位所需的計(jì)算量、通信開銷、存儲(chǔ)開銷、時(shí)間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標(biāo)。成本：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)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統(tǒng)的安裝時(shí)間、配置時(shí)間、定位所需時(shí)間?？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。資金代價(jià)則包括實(shí)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。覆蓋率：覆蓋率是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的另一個(gè)重要指標(biāo)。覆蓋率表示為能夠?qū)崿F(xiàn)定位的未知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)總數(shù)的比值。在保證一定精度的前提下，覆蓋率越高越好。第3章Amorphous定位算法定位技術(shù)對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是至關(guān)重要的。近幾年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不少節(jié)點(diǎn)定位算法，這些定位算法由于各自的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備能力的不同而不同，要考慮的因素有：硬件設(shè)備，信號(hào)傳播模式，定時(shí)和能源要求，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(同構(gòu)的或異構(gòu)的)，環(huán)境特性(室內(nèi)還是室外)，設(shè)備的時(shí)間同步，通信費(fèi)用，誤差要求，設(shè)備靈活性等。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，為了提高系統(tǒng)定位精度，提出一種發(fā)送數(shù)據(jù)包生存時(shí)間的Amorphous[12]算法。3.1三邊測(cè)量法AA22A1A32A2A22A222A12A32A23.1三邊測(cè)量法圖示在基于測(cè)距的定位算法中，三邊測(cè)量法(trilateration)[2]是計(jì)算坐標(biāo)的基本途徑。其主要原理是：若未知節(jié)點(diǎn)M到錨節(jié)點(diǎn)A的距離dl，那么M可能出現(xiàn)在以A為圓心，4為半徑的圓上；若再知道M到另一錨節(jié)點(diǎn)B的距離的以，那么M可能出現(xiàn)在以B為圓心，西為半徑的圓上，M可能出現(xiàn)在兩圓相交的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上；此時(shí)，若再知道M至I．I第三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)c的距離反，在測(cè)距精確的前提下，以C為圓心正為半徑的圓一定與上述兩個(gè)圓交于一點(diǎn)，即可確定M的坐標(biāo)。如圖3.1所示。三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A1、A2、A3的坐標(biāo)事先知道，它們的坐標(biāo)依次是(xa1,ya1)，(xa2,ya2),(xa3,ya3)這三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)A(x-xa1)2+(y-ya1由此解出M的坐標(biāo)（x,y）為xy=2xa1三邊測(cè)量法的缺點(diǎn)是：若在測(cè)距過程中存在誤差，上述三個(gè)圓無法交于一點(diǎn)，以存在誤差的碣，破，破去解上述方程時(shí)便無法得到正確解，因此，在實(shí)際計(jì)算坐標(biāo)時(shí)，一般不采用上述解方程的方法，而采用極大似然估計(jì)或其它數(shù)值解法。3.2極大似然估計(jì)法在實(shí)際進(jìn)行坐標(biāo)求解時(shí)，往往采用多邊測(cè)量法(multilatemtion)[20]。它是三邊測(cè)量法的變形，假設(shè)有m個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)事先知道，它們的坐標(biāo)是xi,si(i=l，2，…，m)，己知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)m必須大于等于3(m≧3)；ri表示第i個(gè)已知節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)N之間的長(zhǎng)度。依據(jù)幾何平面中任意兩點(diǎn)的歐式距離公式，如果未知節(jié)點(diǎn)N(xc1-xa1)2MM4321圖3.2極大似然估計(jì)法示意圖通常采用極大似然估計(jì)法(MaximumLikelyhoodEstimation，MLE)求解，從第一個(gè)方程開始分別減去最后一個(gè)方程，得：x式（3．4）用線性方程組表示為AX=b，其中A=2×x1-xmy1-d=rm2-r12+xx=xy式（3.使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)法可以得到節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)為：X=(ATA)-1ATd此方法在測(cè)距存在一定誤差的情況下仍能達(dá)到相當(dāng)高的定位精度，然而其缺點(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，故有必要尋求更為簡(jiǎn)單的替代算法。3.3Amorphous算法Amorphous是MIT的RadhikaNagpal等提出的一種與距離無關(guān)的定位算法。該算法采用與DV-hop類似的方法獲得距錨點(diǎn)的跳數(shù)，然后估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置。算法分為三個(gè)階段：與DV-hop定位算法類似，獲得未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)；位置節(jié)點(diǎn)計(jì)算到每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳段距離利用三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)算法，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置節(jié)點(diǎn)i收集鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，計(jì)算關(guān)于某個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的局部跳數(shù)平均值，如式3.9，s(i,k)：未知節(jié)點(diǎn)i到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)k的跳數(shù)；hj,k：未知節(jié)點(diǎn)j到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)k的整數(shù)跳數(shù)；hi,k：未知節(jié)點(diǎn)i到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)k的整數(shù)跳數(shù)；nbrs(i)：未知節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)集合；nbrs(i)：未知節(jié)點(diǎn)s(i,k)=j∈nbrs(i)hi,k+h(j,k)nbrs(i)與DV—Hop不同的是，它假設(shè)網(wǎng)絡(luò)平均連通度nlocal已知，使用KleinrockandSliversformula在網(wǎng)絡(luò)部署前離線計(jì)算平均每跳距離，如式3.10，式中r表示節(jié)點(diǎn)的通信半徑，nlocal表示網(wǎng)絡(luò)平均連通度，即網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。HopSize=r1+e-nlocal--11e當(dāng)某未知節(jié)點(diǎn)獲得與至少3個(gè)非直線排列的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離后，應(yīng)用多邊測(cè)量法或極大似然法可計(jì)算出自身位置第4章總結(jié)通過文獻(xiàn)的查閱，首先了解了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及現(xiàn)狀。毫無疑問，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用越來越廣泛了，其中使用最成功的是GPS系統(tǒng)。其次介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。其中節(jié)點(diǎn)定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。這些節(jié)點(diǎn)定位的技術(shù)和方法與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用有關(guān)，實(shí)用與不同的應(yīng)用場(chǎng)合。本文中我們主要介紹了節(jié)點(diǎn)定位的基本概念、定位算法的基本概念以及定位算法的分類和性能分析等方面分析目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)原理和發(fā)展現(xiàn)狀。在本文中，我們著重于Amorphous定位算法，Amorphous定位算法分為三個(gè)階段：a與DV-hop定位算法類似，獲得未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算與每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)；b位置節(jié)點(diǎn)計(jì)算到每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的跳段距離；c利用三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)算法，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置。為此涉及到三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)算法。本文中我們又介紹了關(guān)于三邊測(cè)量法和極大似然估計(jì)算法做出了詳細(xì)介紹。第5章參考文獻(xiàn)[1]陳敏，李軍華，王擘.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實(shí)踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.2[2]AkyildizIF,SuW,SankarasurbramaniamY,etal.Wirelesssensornetworks:asurvey[J].ComputerNet