无线传感网络节点定位技术仿真研究毕业设计

安徽理工大学毕业设计无线传感网络节点定位技术仿真研究WIRELSS SENSOR NETWORK NODE LOCATION TECHNOLOGY SIMULATION毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日无线传感网络节点定位技术仿真研究摘要无线传感网络节点定位技术是无线传感网络重要的支撑技术之一。节点位置信息不仅是事件监测的前提，也是网络拓扑自配置、提高路由效率、向观察者报告所需信息的基础;不知道所获信息所对应的位置，所获信息也失去了应有的意义。无线传感网络节点部署是随机的，由于受到布设环境和自身因素的影响，如何最大限度提高节点定位精度是无线传感网络定位研究领域的一个难点。因此，开展节点定位技术的研究具有重要理论和现实意义。本论文介绍了无线传感网络发展历程和结构模型，分析了无线传感网络中的关键技术，深入讨论了无线传感网络节点定位技术。着重研究了节点定位的概念、定位技术分类、定位的基本原理和基本方法，同时对现有的典型定位算法和定位系统进行了分析比较。论文重点对无线传感网络定位技术中的非测距定位DV-hop算法进行了深入研究，详细分析了其存在误差的原因。分别在二维和三维环境下提出了改进的节点定位算法。(1)为了减小传统DV-hop算法的定位精度误差，论文在二维环境中提出了一种新的DV-hop定位算法。(2)针对新DV-hop定位算法存在覆盖率较低的问题，提出了一种升级虚拟锚节点的定位算法。(3)在三维环境下，提出了一种新的三维节点定位算法。关键词:节点定位，DV-hop，锚节点，平均跳距权值，跳数权值WIRELSS SENSOR NETWORK NODE LOCATION TECHNOLOGY SIMULATIONABSTRACTThe wireless sensor network node location technology is an important supporting technology for WSN. The node position information of WSN is not only the premise of monitoring events, but also it is the basis of the network topology from the self-configuration, improve routing efficiency and reporting the information required to observers. If we do not know the position information, the information we are interested will lose its proper meaning. Wireless sensor network nodes are randomly deployed. How to maximize the localization accuracy of localization is a difficult research area in wireless sensor networks for the effect of the layout environment and factors of its own. Therefore the research for the wireless sensor network node location technology has important theoretical and practical significance.This paper introduced the development course of wireless sensor network and the architecture model of the wireless sensor network, analyzed the key technology for wireless sensor networks, and thoroughly discussed wireless sensor network node location technology. Focused on the concept of node localization, the location classification, the basic principles and methods of localization, and the criteria of positioning performance evaluation are made a more detailed analysis and research, while some typical existing location algorithms and systems are made a brief introduction and comparison. The paper focused on the Range-free positioning algorithm of wireless sensor networks DV-hop in-depth study, and analyzed the reasons for the existence of error in detail. Then, this paper presented the improved localization algorithms in two-dimensional and three-dimensional environment respectively.(1) The paper presented a new DV-hop localization algorithm in the two-dimensional environment to improve localization accuracy error of traditional DV-hop algorithm. (2)For the novel DV-hop localization algorithm have the problem of low coverage, a location algorithm which upgraded the virtual anchor nodes algorithm was presented. (3)In the three-dimensional environment, the paper presented new three-dimensional localization algorithms.KEYWARDS: node location, DV-hop, anchor node average hop-distance weight hop weight55目录1绪论211 研究背景目的及意义2111 研究背景2112 研究意义212 国内外研究应用现状与发展趋势31.2.1 国内外研究应用现状31.2.2 发展趋势41.3 论文研究思路及章节结构42无线传感网络的组成结构及其关键技术62.1 无线传感网络体系结构62.2 无线传感网络的关键技术92.3 无线传感网络的应用113无线传感网络定位基本原理133.1 无线传感网络定位技术概述133.1.1 无线传感网络定位的概念133.1.2 无线传感网络定位技术有关术语143.1.3 无线传感网络定位技术特点143.1.4 无线传感网络定位技术相关应用153.2 无线传感网络定位基本方法163.2.1 基本原理163.2.2 节点间距离的测量方法173.2.3 目标位置计算方法203.3 无线传感网络典型定位算法和定位系统233.3.1 几种典型的定位算法2334 本章小结284DV-hop算法研究2941 引言294.2 传统DV-hop算法294.3 传统DV-hop算法误差分析304.4 新的DV-hop算法的设计及其实现334.4.1 跳数计算334.4.2 节点距离的计算334.4.3 锚节点组的选定和位置估计354.5 本章小结365三维节点定位方法375.1 引言375.2 三维节点定位的必要性375.3 几种典型三维节点定位算法375.3.1 传统质心算法375.3.2 一种新的质心算法395.3.3 Landscape-3D算法415.3.4 APIS算法425.4 新三维节点定位算法的设计及其实现435.4.1 跳数计算435.4.2 距离计算435.4.3 位置估计435.4.4 新三维定位算法的执行465.4.5 仿真实验465.5本章小结48全文总结49参考文献50致谢511绪论11 研究背景目的及意义111 研究背景随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。2003年,美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国今日防务杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高， 有的性能高但是功耗太大。因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。112 研究意义无线传感网络是一种开创了新应用领域的新兴概念和技术。当前，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。低功耗无线传感模块研究具有极其重要的学习和研究价值，其功能的实现具有极其重要的理论和现实意义。首先，现有的众多研究中，将性能和低功耗相结合的较少，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。本文综合了性能和低功耗的共同需求，经过深入的分析和对芯片的数据比较，提出了低功耗无线传感模块的硬件设计思路。其次，增加无线传感模块的应用。无线传感模块应用已非常广泛，除去组成无线传感网络的应用外，无线传感技术还广泛的应用于环境监测，如车间温湿度、压力等；短距无线通信等。实现了无线传感模块的低功耗，其对电能的需求就会更小，应用的范围将会进一步的扩大。12 国内外研究应用现状与发展趋势121 国内外研究应用现状无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末，题为“传感器走向无线时代”。传感技术的发展经历了一般传感器、智能传感器、无线传感器等几个阶段。一般传感器，是最早产生的传感器，只能实现数据采集；智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采集到的信息进行一定程度的计算和处理；无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块，而是一个能够实现数据采集、处理，信息交换和控制的有机整体。为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通，无线通信技术获得了蓬勃发展。在正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)等基础技术支持下，多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。作为蓬勃发展的无线技术，近几年正是其大变革时期。随着几种重要基础技术的推广和实际应用，无线通信的速度也将得到大大提高。无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支，由于越来越多的应用方案开始采用无线节点进行数据采集和通信。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感网络,是当前的热点研究领域。而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因此无线传感模块的设计，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。典型的节点包括Mica 系列、Telos 、IRIS 和Imote2 等。各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。有些节点具有高性能但功耗较大，如Imote2 节点，不适用于能量受限的应用环境。其他一些节点，如Telos 、Mica 等， 由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。IT P（美国再生能源办公室工业技术计划） 在2002年发布的报告“21世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：无线传感器可将能源利用率提高10%，将能源损耗减少25%。后来的研究，如Intel ( r) Mote 的研究项目则注重了三个方面的要求，包括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗与性能的矛盾，但目标的实现还需要一定的努力。MIT 发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设计，他们的传感器的主要功能是数据收集，采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起，其目的是为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统。随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展，传感技术也会得到不断的发展和完善。并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网络当中，以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。122 发展趋势正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用，使得它受到了来自军事、工业和商业以及学术专家的极大关注。其发展方向必然是无线通信的网络化，即通过自组网的方式形成动态、自适应的无线传感网络。而无线传感网络WSN是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。我国迫切需要提升对此的认识程度，并尽快推动其发展。因此，以无线传感模块为基础，实现传感网络的无线互联将是一个必然的趋势。另外由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。已有的节点， 有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。即在保证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模块的低功耗，甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。除开以上所讲两种发展趋势之外，无线传感模块的应用和发展还具有极大的发展空间和良好的发展方向。当前对无线传感模块的应用都是静止性的，就目前存在的无线传感网络（WSN），构成网络的各个节点都是被固定的安放在一个地方，要实现对整个环境的检测，就需要向环境中投放大量的无线传感节点。这样一来成本就会非常的高。若实现无线传感模块对信息的移动式采集，则在同一个环境内投放更少的节点，就能实现对环境的全面检测。正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能源式的。利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的。13 论文研究思路及章节结构 本论文在综合分析大量无线传感网络定位技术文献和归纳整理前人研究成果的基础上，分别在二维平面和三维空间中提出了新的定位算法。论文各章节的具体安排如下:第一章主要介绍无线传感网络定位技术的研究背景、研究意义、国内外研究现状以及论文研究内容和组织结构。第二章主要对无线传感网络进行全面的分析讨论，详细的分析无线传感网络的概念、体系结构和传感器节点的结构，讨论了无线传感网络的特点和优势，深入研究无线传感网络的关键技术，无线传感网络的应用领域进行详细的介绍。第三章主要研究了无线传感网络定位的基本原理，深入分析讨论了定位的概念、定位的基本计算方法和定位技术的性能评价标准，同时详细介绍了目前存在的典型定位算法及其性能。第四章主要研究了DV-hop定位算法，在此基础上提出了改进的定位算法并对该算法进行了仿真验证，给出了仿真验证结果。第五章主要对三维节点定位算法进行了深入研究，同时给出一种新的三维节点定位算法，并对该算法在MALAB中进行仿真验证，给出了仿真验证结果。最后一章主要是对全文工作的总结，并指出下一步的主要工作。2无线传感网络的组成结构及其关键技术本章对无线传感网络作了全面地介绍。首先从无线传感网络的概念和发展历程入手对无线传感网络做了简要介绍，接着对网络的体系结构、网络协议栈和传感器节点的结构作了较详细的论述，然后分析了无线传感网络的特点和优势;接着对无线传感网络的关键技术和应用领域进行了较详细的说明和介绍。21 无线传感网络体系结构 1无线传感网络信息传播模型无线传感网络实际上是一个由大量低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感器节点组成的ad-hoc网络。无线传感网络系统通常包括传感器节点(sensor node,汇聚节点(sink node)和管理节点，一种典型的无线传感网络体系结构图如图2.1所示，大量传感器节点被随机地部署在监测区域(sensor field)内部或附近，通过自组织方式构成网络。传感器节点监测到感兴趣的数据后沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 图2.1 无线传感网络体系结构图2无线传感网络节点组成网络中的传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，具有相对较弱的通信能力、存储能力和处理能力，并且能量有限。从整个网络看，传感器节点兼顾了路由器和网络节点终端双重功能，除了进行数据处理和收集本地信息外，还要对其它节点传送过来的信息进行处理，同时与其它网络节点协作共同完成一些特定任务。汇聚节点可以是一个具有更强功能的传感器节点，也可以是一个不具有监测功能的仅具有无线通信功能的特殊网关，它负责传感器网络外部网络的连接。在不同的应用场合，传感器节点的组成也有较大差异，但一般都包括以下四部分;数据采集模块(传感器和A/D转换器)、无线通信模块(无线收发设备)、电源模块(电池和能量转换器)，处理器模块(微处理器和存储器)。如图2.2所示为一种典型传感器节点体系结构图。数据采集模块主要负责监测区域内信息的采集和数据的转换;无线通信模块主要负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据;电源模块主要负责传感器节点运行所需的能量，通常采用能量有限的微型电池;处理器模块主要负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理所采集的数据及其它节点传送过来的数据。图2.2 一种典型传感器节点体系结构图3无线传感网络协议组成结构无线传感器网络的通信协议栈包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。如图2.3所示。应用层采用不用的软件，实现传感器网络不同的应用目的；传输层实现差错控制和流量控制等功能；网络层主要负责将传输层所提供的数据路由至汇聚节点；数据链路层主要负责节点接入，降低节点间的传输冲突；物理层进行比特流的传输。另外协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量：移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台平衡和调度给定区域内的监测任务。图2.3无线传感器网络协议IEEES02154标准目前无线传感器网络的通信协议并没有统一的标准。IEEE802154标准是针对低速无线个人域网络(Personal AreaNetwork,PAN)的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。由于IEEE802154标准的网络特征与无线传感器网络存在相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准。在符合IEEES02154标准的网络中，根据设备所具有的通信功能，可以分为全功能设备(Full Function Device，FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)。FFD具有IEEES02154协议规定的所有功能，RFD只具有部分功能。FFD之间、FFD与RFD之间可以直接通信，RFD之间不能直接通信，需要通过一个FFD转发。这个与RFD相关联的FFD称为该RFD的协调器(coordinator)。在IEEES02154网络中，存在一个PAN网络协调器(PANcoordinator)。除了直接参与应用，PAN网络协调器还负责成员身份管理，链路状态信息管理以及分组转发等任务。IEEES02154网络可以根据需要组成星型网络、点对点网络，如图1-4所示。如果将星型网络和点对点网络结合在一起，可以组成簇一树网络，如图2.4所示。图中的CID(ClusterIdentifier)为簇的标识，CLH(Cluster Head)为簇头。IEEE802154的网络协议栈基于开放系统互联模型(Open System Interconnect,OSl)，其中IEEES02154标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层，如图2.5所示。图2.4IEEES02154网络可以根据需要组成星型网络、点对点网络图2.5 IEEES02154协议层次图IEEE802154的物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务包括：激活和关闭射频收发器；信道能量检测(Energy Detect,ED)；检测接收到数据包的链路质量指示(Link Quality Indication，LQI)；空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)：收发数据。IEEE802154的物理层定义了三个载波频段用于收发数据，总共提供了27个信道：868MHz频段1个速率为20kbps的信道，915MHz频段10个40kbps的信道，2450MHz频段16个250kbps的信道。IEEE的MAC层实现的功能有：协调器产生并发送信标帧(Beacon Frame)，普通设备根据协调器的信标帧实现与协调器同步；支持PAN网络设备与协调器的关联(Association)和离开(Disassociation)操作；支持无线信道通信安全(数据加密服务)；使用载波侦听多址接入/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制访问无线信道；支持有保证时隙(Guaranteed Time Slot,GTS)机制；支持不同设备MAC层间的可靠传输。22 无线传感网络的关键技术作为当今信息领域新的研究热点，无线传感网络涉及到了传感器技术、通信技术、嵌入式技术和分布式计算技术等多学科的交叉研究领域，有非常多已发现和未发现的关键技术值得研究和探索。无线传感网络主要关键技术如下:1网络拓扑控制由于无线传感网络是自组织网络，因此网络拓扑控制具有两方面非常重要的意义:一方面是在满足网络连通度的情况下，实现监控区域的有效覆盖的代价降低;另一方面在于构建良好的网络拓扑结构能带来全局效率的提升，有利于节点能耗的降低和整个网络负载的均衡，从而延长整个网络的生命周期。因此，拓扑控制成为了无线传感网络研究的关键技术之一。2网络协议网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络。由于传感器节点的通信能力、存储能力、计算能力以及自身能量都十分有限，且网络节点只能获取局部网络信息，这决定了网络节点上运行的网络协议不能太过复杂。同时，网络资源在不断地变化，网络拓扑结构也是动态变化的，这些都对网络协议提出了更高的要求。因此，网络协议也成为无线传感网络研究的关键技术之一。3时间同步实现时间同步是无线传感网络系统协同作用的一个关键机制。然而，受到无线传感网络低功耗、高密度的限制，传统的时间同步算法并不适用于无线传感网络。因此，设计适合于无线传感网络的新时间同步算法就显得尤为重要。所以，时间同步同样也成为了无线传感网络研究的关键技术之一。4定位技术位置信息是无线传感网络正常工作和应用中不可缺少的部分，缺少位置信息网络很可能无法正常工作，在某些应用中缺少位置信息也将会是致命的。无线传感网络最基本的功能之一就是位置信息(事件发生的位置或采集数据的节点的位置)。但是，受到无线传感网络自身所具有的低能耗、低成本的特点限制，现有传统定位技术(如GPS)对于无线传感网络来说并不适用，因此开发出适用于无线传感网络的定位技术势在必行。5数据融合无线传感网络把能量的高效使用作为首要设计目标，因此如何减少数据传输过程中的能量消耗就成为一个关键问题。数据融合可以在各个传感器节点收集数据的过程中利用节点的本地计算和存储能力去除冗余信息，减少传输的数据量，从而有效的节省能量。由于传感器节点的易失效特性，从提高信息准确度的角度出发，无线传感网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合。6网络安全无线传感网络的特点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算段上会有很大的不同。在进行传感器网络协议和软件设计时如何保证数据产生的可靠性、任务执行的机密性和数据传输的安全性，就成为无线传感网络不容忽视的问题。7数据管理从数据存储的角度来看，无线传感网络是一种分布式数据库。以数据库的方法对网络中的数据进行管理，可以将存储在网络中的数据逻辑视图与网络中的实现进行分离，从而使得网络用户只需要关心数据查询的逻辑结构，而不需要关心其实现细节。但是无线传感网络的数据管理与传统分布式数据库有很大差别。因此，设计针对无线传感网络的数据管理方法就成为一个重要问题。8无线通信技术无线传感网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。因此无线传感网络需要低发射信号功率谱密度、低复杂度、短距离、低功耗的无线通信技术。超宽带技术(UWB)是一种极具潜力的无线通信技术。非常适合在无线传感网络中应用。另外，很多研究机构把IEEE 802.15.4标准作为无线传感网络的无线通信平台。但是，目前还没有一种方案能够成为正式的国际标准。因此，无线通信技术也就成为无线传感网络研究的关键技术之一。9嵌入式操作系统传感器节点本质上是一个微型的嵌入式系统，硬件资源有限，这就要求操作系统能够高效地利用其有限的内存、处理器和通信模块等硬件资源，且能够对各种特定应用提供强大的支持。在无线传感网络操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。另外，传感器节点具有并发性密集和模块化程度高两个突出的特点。这就对无线传感网络操作系统的设计提出了新的挑战。10应用层技术无线传感网络应用层是由各种面向应用的软件系统构成，部署的网络往往执行多种任务。因此，应用层的研究主要是各种无线传感网络应用系统的开发和多任务之间的协调。无线传感网络应用开发环境的研究就是为应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具，需要解决的问题包括网络程序设计方法学，网络程序设计语言，基于感知数据的理解、决策和举动的理论与技术，网络软件测试工具，网络软件开发环境和工具以及面向应用的系统服务。23 无线传感网络的应用无线传感网络作为一种融合了无线通信技术、传感器技术和分布式计算的特殊自组织网其在军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控络，等领域都有十分广泛的应用。1军事应用在战场上无线传感网络可以通过炮弹或者飞机直接将网络节点部署到敌方的阵地内部或者公共隔离区域，能够非常隐蔽且近距离的准确收集战场的信息。2环境监测当今社会环境问题受到越来越多的关注，环境保护越来越受到重视。由于无线传感网络的网络规模通常较大，传感器节点可以集成各类传感模块，并且适用于大区域监测和不适合人工作业的恶劣环境，如灾难现场、有毒化学气体的泄漏区域等，所以无线传感网络在环境监测方面的应用越来越广泛。3医疗护理无线传感网络在医疗护理领域也有应用，它可以跟踪和监测医院内医生和患者的行动，可以用F监测人体的各种生理数据等。4智能家居随着社会的发展，人类对生活各方面的要求也在不断提高，智能家居应运而生。通过把传感器节点嵌入到家具和家电中组成无线传感网络，并与互联网连接相连，为人类的生活提供更加方便、舒适和人性化的智能环境。5建筑物的状态监控建筑物状态监控是利用无线传感网络监控建筑物的存在状态。通过把传感器节点安装到建筑物上，实时监测各种安全参数，建筑物就能够自我感知，并主动的向管理部门报告自身的状态信息，管理部门据此采取必要的措施。6交通管理无线传感网络可以作为车辆监控的有力工具用在交通领域，在十字路口安装传感器节点进行交通情况监测或者速度测量，为出行者提供方便的信息服务，实现高效的道路交通运输管理。这些传感器节点形成一个无线传感交通网，通过该网络可以查询信息或者发出控制指令。7其它应用除了以上的应用外，无线传感网络在精作农业、安全生产、空间探索、复杂机械监控、大型车间和仓库管理、机场和大型工业园区的安全监测等领域也有广泛应用。随着研究的深入，无线传感网络的应用将深入到人类生活的各个领域，其未来的应用范围将只受到人们想象力的限制，具有广阔的应用前景。 3无线传感网络定位基本原理通常无线传感网络节点是随机分布在不同的环境中进行各项监测任务。节点只有知道了自身的位置信息，才能够提供有效的监测消息。因此，对于无线传感网络的监测活动来说，位置信息至关重要，在很多无线传感网络应用中，没有节点位置信息的监测信息往往毫无意义。监测到事件后关心的一个重要问题就是该事件发生的位置，这是进一步采取措施和做出决策的基础。如森林火灾监测，天然气管道泄漏监测，战场上敌方车辆运动的区域具体地点等。从图3.1可看出定位服务在无线传感网络体系结构中的位置定位信息除了用来确定事件发生的地点外，还可以用于目标跟踪、目标轨迹预测、协助路由等。获取位置信息是无线传感网络基本功能之一，定位技术是无线传感网络的一项重要支撑技术。目前针对无线传感网络的定位机制和定位算法己经大量涌现。通常这些算法都在二维情况下使用，但是经过扩展以后，可以很好的在三维情况下运用。图3.1无线传感网络体系结构31 无线传感网络定位技术概述311 无线传感网络定位的概念对于定位一般的理解就是确定位置。在无线传感网络中，定位是指网络通过特定的方法确定节点的位置信息。其可分为节点的自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络中节点位置坐标的过程。它是网络自身属性的确定过程，是网络的支撑，可以通过人工配置或各种节点自定位算法完成，它是整个无线传感网络存在的必要的支撑技术之一;目标定位是指在网络覆盖范围内确定一个事件或一个目标的位置坐标，这可以通过把位置已知的网络节点作为参考节点来确定事件或目标在网络中所处的位置，它是无线传感网络的一项重要应用方向。两者可以统一起来考虑，无线传感网络定位问题就是寻求利用少量的锚节点来确定网络中未知节点的位置坐标的方法。位置信息可以分为两种类型:一种是物理位置，它表示目标的相对或者绝对位置，是指目标在特定坐标系下的位置数值。另一种是符号位置，它表示的是目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在范围，即指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息。312 无线传感网络定位技术有关术语无线传感网络定位用到的有关术语主要有:未知节点: WSN中不能自主定位，需要依赖定位算法和已知位置信息的节点来定位的节点。锚节点:通过GPS系统或人工部署已知自身位置信息，并且能够协助网络对未知节点定位的节点，又称为信标节点。邻居节点:在传感器节点通信半径内，可直接相互通信的节点。跳数:两个节点之间间隔的跳段总数。测距:测量相互能够通信的节点之间的距离。测距误差:测量距离与真实距离之间的误差。一般指它与真实距离之间的比值。到达时间:一种信号从一个节点传播到另一个节点所需的时间。到达时间差:两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需时间差。到达角度:节点接收到的信号相对于自身轴线的角度。接收信号强度:节点接收到无线信号强度的大小。视线关系:没有任何障碍物间隔的两个节点间能够直接通信的关系。非视线关系:两个节点之间存在障碍物。网络连通度:网络中所有节点的邻居节点个数的平均值。覆盖率:能够确定坐标位置的节点在总节点数中所占的比例。基础设施:协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。空洞:空洞就是一个没有节点存在的区域。空洞有可能由天然的障碍如河流或湖泊所造成，也可能由一些像电池寿命耗尽等情况造成的节点失效而产生。313 无线传感网络定位技术特点无线传感网络中，传感器节点的可靠性差、能量有限、节点数量庞大且节点部署具有不确定性，再加上节点有限的通信能力、数据处理能力和存储能力，这些限制因素对定位技术提出了更高的要求。通常无线传感网络定位技术具备以下特点。1自组织性通常无线传感网络中的节点是随机布设的，不能依靠全局的基础设施的协助确定每个节点的位置所在。因此，自组织性就显得格外重要。2容错性传感器节点的硬件配置低、处理能力弱、可靠性差、能量少以及测距时会产生误差等因素决定了传感器节点本身的脆弱性，因此定位算法必须具有良好的容错性。3能量高效性为了尽量延长网络的生存周期，要尽可能的减少节点间的通信开销，减少算法中计算的复杂度，用尽量少的能量完成尽可能多的工作。4分布式计算每个节点自己对自身的位置进行估算，不需要将所有信息传送到某个特定的节点进行集中计算。314 无线传感网络定位技术相关应用位置信息在某些应用中起关键性的作用，同时具有多种用途，大体可分为导航、跟踪、虚拟现实和网络路由等。无线传感网络定位技术提供了网络应用中至关重要的地理位置信息。无线传感网络中不但有很多特定应用都依赖于节点或目标物体的地理位置信息，而且很多网络运行和管理也需要位置信息的辅助，如基于地理位置信息的路由、资源的有效配置、对外部目标的定位和跟踪等。无线传感网络定位技术通常具体应用在以下几方面:1导航导航是定位最基本的用途，但在无线传感网络中这项功能并不突出，但也有这方面的应用。例如:在军事上，通过事先部署的无线传感网络采集到的信息，可以对敌方目标进行准确的定位，为火控系统提供精确的制导;在智能交通系统中可以通过网络节点的布设获取车辆的位置信息可以为道路车辆提供信息反馈，从而实现城内精确导航等。2目标跟踪目标跟踪是指网络实时监测目标的行动路线，预测目标的前进轨迹。例如在战场上实时的跟踪并报告敌方运动态势以便及时采取相应的措施;对动物活动进行追踪，通过将传感器节点植入该动物身体的某个部位，并通过该节点周期性地把相关信息发送给控制中心便可以得到其活动的路径信息;可以通过在矿工身上部署网络节点，实时了解矿井下矿工的位置分布情况等。另外，在工厂、物流管理和医院仪器管理等环境中都有很广泛的应用和迫切的需求。3事件的监控事件监控是指通过网络对某些感兴趣的事件进行监控。例如:对森林防火应急监控，目前很多森林的防火监控都是利用无线传感网络来实现的，将网络节点部署在监控区域，通过传感网络回传至控制中心的数据一旦发生异常情况，就可以通过该节点的相关地理位置信息判断出是什么地方发生异常，以便工作人员采取相关措施;对贵重文物进行监控，通过在文物上或附近部署网络节点，利用节点的位置信息判断文物是否在原来的位置;对天然气管道泄露具体位置进行监控等。4定向信息查询如果管理节点需要知道某一个监测区内的状态或是否有事件发生，可以将监测任务发布到这个区域内的传感器节点进行定向的信息查询。5进行网络管理网络可以利用传感器节点的位置信息构建网络拓扑图，据此实时地统计网络覆盖情况，对覆盖较差的区域及时采取必要的补救措施。6协助路由路由算法可以借助节点的位置信息进行路由选择，基于地理位置的网络路由就是一种利用节点位置信息进行网络路由的优化路由。此种优化路由需要网络中的节点知晓每个节点或者至少相邻节点的位置信息，据此做出优化的路由选择。在无线传感网络中，优化的路由可以提高系统性能、安全性，从而节省宝贵的电能。32 无线传感网络定位基本方法通常无线传感网络中节点是随机分布的且数量庞大。如果通过人工标定的方式来确定每个节点的位置，其工作量过大难以完成;如果采用直接获得节点位置的方式即为每个节点装备全球定位系统(GPS)，考虑到价格、体积、功耗等因素的限制，通常该方案也被排除在外。一种较合理的方法就是在网络中部署少量的锚节点，然后网络利用这些锚节点来估算其它节点的位置。目前节点定位的研究热点就集中在如何利用这些锚节点计算未知节点的位置。无线传感网络定位问题的一般前提假设是:1具有较高的网络密度;2每一个节点都具有全网唯一的ID;3在没有特别说明的情况下，所有节点具有相同的最大通信半径;4在定位过程中，假设节点相对位置不变。3.2.1 基本原理无线传感网络定位的基本原理就是直接或间接测量节点之间的距离、角度或者其它连通性信息，然后再利用这些已获得的信息估算网络中所有未知节点的位置，最后再利用其它修正方法对估算出来的位置坐标进行修正，减小误差提高定位精度。尽管现有的定位算法各不相同，但从基本原理上讲，现有的无线传感网络定位机制通常由以下三步组成：第一步，未知节点通过一定的手段或方法估计未知节点到锚节点的距离;第二步，运用适当的位置估算方法实现位置估计;第三步，采取一定的措施对估算值进行修正或优化处理。不同的定位算法可根据具体的情况对以上几步进行取舍，或选择其中几步或选择所有步骤来进行定位。322 节点间距离的测量方法测量节点之间角度或距离的方法有很多，直接测距的方法有接收信号强度(RSSSI)，到达时间(TOA)，往返传播时间(Roundtrip Time of Flight,RTOF ),到达时间差(TDOA)，以及到达角度(AOA)等。此外，还有一些间接测距的定位算法，如DV-hop。1信号强度测距信号强度测距技术主要使用RF信号，已知发射信号功率，在接收节点测量接收信号功率，估算出传播损耗，然后，使用信号传播模型将传播损耗转化为距离。因传感器节点本身具有无线通信能力，所以该技术是一种廉价、低功率的测距技术，该方法由于实现简单已经被广泛采用，比较典型的应用如RADAR和SpotOn定位系统。它的误差主要来源于多径传播、反射、非视距传播以及天线增益等，这些因素都会造成相同距离产生显著不同的传播损耗，从而造成信号传播模型建模的复杂性，因此精度比较低，有时RSSI的测距误差可达到50%。通常将其看作为一种粗糙的测距技术。实际环境中常用的信道模型为: (3.1)模型中是事先知道的距发射节点处的参考信号强度，单位是 , 为参考距离。为在距离发射节点米远处接收到的信号强度，单位凡为路径衰减指数，与特定环境密切相关。表示标准偏差，是由遮蔽效应引起的正态随机变量，单位。2传播时间测距传播时间测距技术通过测量信号传播时间来测量距离，精度较好。根据信号的传播速度和传播时间来计算节点间的距离。要求接收信号的网络节点事先知道信号开始传播的时间，并要求网络具有非常精确的时钟。该技术最典型的应用如GPS，在无线传感网络中，由于节点之间的距离相对较小，采用传播时间测距难度较大，同时节点价格、功耗和硬件设备也限制了该技术在无线传感网络中的应用。该技术的计算方法可以分为以下两种;一种方法是测量信号单向传播时间即TOA。这种方法测量发送时间和到达接收方的时间的绝对差值作为途经时间，这要求发送方和接收方的本地时间精确同步。另一种方法是测量信号往返时间即RTOF，信号在到达接收节点后直接返回，发送节点测量收发的时间差作为途经时间，此方法避免了节点间时间同步的要求。该方法的误差来源于第二个节点的处理延时，可以通过预先校准等方法来获得比较准确的估计。具体如图32所示。接收信号端发射信号端接收信号端发射信号端图3.2传播时间测距示意图图中为发射信号端发射信号的时间点，为信号到达接收信号端的时间点，为接收端收到信号后又返回发射信号的时间点，为返回信号到达发射信号端的时间点。其计算公式分别如式(3.2)和(3.3)，式中为信号传播速度。 (3.2) (3.3)3时间差测距时间差测距技术是未知节点通过记录来自同一个锚节点的两种不同无线信号睡常为超声波信号和射频信号)到达时间的差，根据两种信号的已知传播速度，把时间差转化为距离。图3.3时间差测距示意图如图3.3所示，发射节点同时发射射频信号和超声波信号两种信号(射频信号的发射时间为，超声波信号的发射时间为，接收节点记录的射频信号的到达时间为，超声波信号到达时间为，已知的射频信号传播速度为，超声波信号的传播速度为，发射节点和接收节点之间的距离可通过式(3.4)得到: (3.4)比较典型的应用如由MIT的Oxygen项目组开发的Cricket室内定位系统。相对TOA方法，TDOA不需要未知节点与锚节点之间时间同步，只需要锚节点之间时间同步，而锚节点在无线传感网络中的数目相对较少，因此实现锚节点之间时间同步代价相对要小得多。该技术的测距精度可以达到厘米级，但受到超声波信号的限制(超声波信号传播距离6-9米)和非视距问题的影响，网络需要密集部署，会产生大量运算和通信开销;另外， TDOA技术对硬件要求较高，传感器节点不仅需要精确的时钟记录两种信号的到达的时间差，同时还需要具备感知不同无线信号的硬件设备，这直接增加了节点的硬件数量和能耗，不利于节点持久工作。所以:在成本和能耗方面，该方法不一定适用于无线传感网络的应用。4到达角度测距到达角度测距技术是一种估算邻节点发送信号角度的技术，如图3.4所示，通过配备多个接收器或天线阵列来获取其它节点发送信号的到达角度，计算接收节点和发射节点之间的相对方向角度。由于该技术受外界环境的影响比较明显，所以，测距精度会产生较大偏差，同时该技术还需要额外的硬件设备完成测角。因此，应用于大规模部署的无线传感网络具有很大的困难。图3.4到达角测距示意图5接收信号相位测距接收信号相位测距技术是通过测相位差，求出信号往返的传播时间，计算出往返距离 (3.5)其中，是信号频率，是信号的波长，是发送信号和反射信号的相位差。由上式可知的范围是,习。不同的距离如果相差倍，则测量获得的相位相同。6根据网