目錄中文摘要 I 第1章緒論 11.1課題背景及意義 11.2課題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 5第2章無線傳感器網絡 6 6 7 9 9 第3章無線傳感器網絡的定位算法 3.5.3極大似然估計法 3.5.4最大最小法 第4章Amorphous定位算法仿真與分析 4.1網絡環(huán)境仿真的設置 4.4.1不同節(jié)點部署的對比分析 4.4.3Amorphous與其RSSI、MDS-MAP算法的對比分析 第5章總結與展望 I摘要傳感器節(jié)點的位置信息在無線傳感器網絡的監(jiān)測活動等應用中起著至關重采用定位算法進行估計。本文將主要研究關于無線傳感器網絡中的Amorphous定位算法進行仿真與分析。在Matlab仿真平臺進行仿真，首先從Amorphous定位算法的仿真的參數性等方面做出比較分析，以達到不同環(huán)境最適合的參數設置。最后，針對基于測距的RSSI定位機制和與距離無關的Amorphous定位算法進行比較對比，分析出Amorphous定位算法的優(yōu)勢，同時也提出有待發(fā)展和提高的相關點。estimatetheocatiopositionaccordingtosomepositioningmechanism.Sensornodelocalizationprocess,theunknownnodesingettingawaywithneanchornodes,ortoobtainthernodesandunknownnodes,typicallyusemethod,maximumlikelinodedeployment,makeacomparativeanalysisofthepropagatioofcommunicationfromanalysisoftheadvantagesofAmorphouspositioningalgorithm,bKeywords：Wirelesssensornetworks,Nodelocalization,AmorI第1章緒論1.1課題背景及意義算、分布式信息處理和無線通信等技術，由無線通信實現(xiàn)自組織，形成分布式自治網絡交互方式，帶來了一種全新的信息獲取和處理模式。中，利用無線通訊自組織成為具有多跳的系統(tǒng)。WSN能夠感應、獲取監(jiān)測圍的數據，之后把這些感興趣的數據傳遞給監(jiān)測人員。傳感技術的任務是獲取數據，通獲取數據會遇到以下難題:不容易布置線路、獲取信息的面積大。位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測消息中所包含的重要信息，沒置信息的監(jiān)測消息往往毫無意義對于這些問題，傳感器節(jié)點必須首先知道自地理位置信息，這是進一步采取措施和做出決策的基礎。定位信息除用做報告事件發(fā)生的地點外，還具有下列用途視目標的行動路線，預測目標的前進軌跡；協(xié)助路由，為網絡提供命名空間，如直接用節(jié)點位置信息進行數據傳遞的地理路由協(xié)議，避免信息在整個網絡中的擴息構建網絡拓撲圖，并實時統(tǒng)計網絡覆蓋隋況，對節(jié)點密度低的區(qū)域及時采取必傳感器節(jié)點的精確、快速定位對各種應用有著重要的作用。節(jié)點具有以下特性能:量受限、通訊能力受限、密集且隨機分布，故節(jié)省能耗和距對用戶節(jié)點進行定位，具有精度高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是定要固定的基礎設施等。人工部署和為所有網絡節(jié)點安裝GPS接收器都會受到成本、用于低成本自組織的傳感器網絡因，此必須采用一定的機制與算法實現(xiàn)WSN的自身定位。中，測到網絡中某個地方時間發(fā)生時，它所關心的一個重要的問題就是該事件發(fā)生的位置。因此，確定事件發(fā)生的位置或確定獲取消息的節(jié)點位置是無線傳感器網絡所必須具備的一項功能對，無線傳感器網絡的應用的有效性起著至關重要的作用。同時了解傳感器節(jié)點位置信息還可以協(xié)助路命名空間，向部署者報告網絡的覆蓋質量，實現(xiàn)網絡的負載均衡以及網絡拓撲的對傳感器網絡應用的有效性起著關鍵的作用。據處理和信息的傳輸等多種功能，這為無線傳感網的產生線傳感網是由部署在監(jiān)測區(qū)域大量廉價微型的具有有限數據處理低能耗無線信號收發(fā)器的傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，其目的是利用網絡節(jié)點協(xié)作地感知和采集網絡覆發(fā)送給觀察者。安裝、維護等方面的種種困難。其在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等領域有著傳感網的產生將改變人與自然界的交互方式。因此本文所研究的與距離無關的Amorphous定位算法對無線傳感器的網絡的發(fā)展具有很重要的意義。1.2課題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1996年，美國UCLA大學的WilliamJKaisI的GregoryJPottie教授從網絡研究的角度重新闡釋了WSN的科學意義。在其后的10余年里，WSN網絡技術得到學術界、工業(yè)界乃至政府的廣泛關注，成為在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物結構監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的界的10大技術之一。WSN網絡技術一經提出，就迅速在研究界和工業(yè)界得到廣泛的認可。1998年到2003年，各種與無線通信、AdHoc網絡、分布式系統(tǒng)的會議開始大量收錄一個專門針對傳感網技術的會議InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，為WSN網絡的技術發(fā)展開拓了一片新的年還專門創(chuàng)刊ACMTransactiononSensorNetwork，用來出版最優(yōu)秀的傳感器MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司聯(lián)合創(chuàng)辦了傳感器網絡協(xié)會，旨在促進WSN技術的開發(fā)。2006年10月，在中國北京，中國計算機學會傳感器網絡專委會正式成立，標志著中國WSN技術研究開始進入一個新的歷史階段。中國現(xiàn)代意義的WSN網絡及其應用研究幾乎與發(fā)達國家同步啟動，首先被記動化領域研究報告中。統(tǒng)所，旨在整合中科院部的相關單位，共同推進傳感器網絡的研究。從2002年年底，中國國家自然基金共支持面上項目111項、重點項目3項，國家“863”重點項目發(fā)展計劃共支持面上項目30余項，國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”也設立2項與傳感器網絡直接相關的項目國，家發(fā)改委中國下一代互聯(lián)網工程項目(CNGI)也對傳感器網絡項目進行了連續(xù)資助?！爸袊磥?0年技術預見研究”家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技而設立的。該專項的設立將大大推進WSN網絡技術在應用領域的快速發(fā)展。WSN技術是多學科交叉的研究領域，因而包含眾多研究方向，WSN技術具有天生的應用相關性，利用通用平臺構建的系統(tǒng)都無法達到最優(yōu)效果。WSN技術的應用定義要求網絡中節(jié)點設備能夠在有限能量(功率)供給下實現(xiàn)對目標的長時間監(jiān)控，因此網絡運行的能量效率是一切技術元素的優(yōu)化目標。于WSN,其傳感器分布比較集中,網絡結點較多,人工部署和所有網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無法實現(xiàn)因,此必須利用無線通信機制與定位求解算法實現(xiàn)WSN的自身定位。Amorphous定位算法及RSSI定位算法等相結合來改進這些定位算法，而的研究。絡的連通性確定網絡中節(jié)點之間的跳數，同時根據息估計每一跳的大致距離，然后估出節(jié)點在法等，它們所需的網絡模型都是由參考節(jié)點和未知位置的節(jié)點組成。國外對于移動信標的定位方法及信標的移動路徑的規(guī)劃研究處于起步階段，相關的文獻并不多，提出的算法也不夠成熟。I定位系統(tǒng)時需要考慮網絡的基礎設施、定位技術、節(jié)點通信方式、錨節(jié)點密度、銷之間的關系，設計合理的定位系統(tǒng)。定位算法的對比分析。本文共分為五章，組織結構安排如下：第一章緒論，介紹課題相關的背景和意義，闡述了發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，明確應用領域以及性能評價等方面做出了具體介紹。第三章無線傳感器的定位算法，主要針對Amorphous定位算法的基本原理點定位算法進行了詳細介紹。正方形區(qū)域隨機均勻分布和正方形區(qū)域網絡狀節(jié)點分布兩種不Amorphous定位算法與RSSI定位機制和MDS-MAP算法進行對比分析，重點突出Amorphous定位算法的優(yōu)勢及特點。第五章總結與展望，對本課題的容的一個總結和Amorphous定位算法還有待發(fā)展和進一步的研究容提供一個參考的方向。第2章無線傳感器網絡無線傳感器網絡（WSN：WirelessSensorNetwork）是新興的傳感器網絡，是分布式自組織網絡。無線傳感器網絡與現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線網絡有相似之處，但也存在很大的差別。無線傳感器網絡歐大量的微型傳感器節(jié)點組成，并通過無線通信的方式形成一個自組織的智能網絡系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測、感知和采集所監(jiān)控的的各種環(huán)境或檢測對象的信息，并對這些信息進行處理，將獲取到的信息發(fā)送到任務管理節(jié)點或者需要這些信息的用戶。下面將介紹一些關于無線傳感器網絡的基本概念和特點。的特點：比如能量受限，通信方式以數據為中心，相鄰節(jié)點的數據具有相似性，拓撲結構也在不斷的變化等。無線傳感器網絡可以看成是由數據獲取網絡，數據分布網絡和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節(jié)點，各個節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網絡，再將采集來的數據通過優(yōu)化后經無線電波傳輸給信息處理中心。WSN是許多科學交叉的新興前沿研究熱點技術，它綜合了傳感器技術、嵌入下顯著的特點[5]。各部分集成度很高因,此具有體積小的優(yōu)點,當然從應用角度講,減小節(jié)點尺寸也是必須考慮的設計要素。傳感網絡是由大量的傳感節(jié)點組成的,單個節(jié)點的成本直接影響到網絡的總體成本,如果總體成本比使用傳統(tǒng)傳感器的成本高,勢必會影響無線傳感網絡的競爭力。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。I根據應用的不同,傳感器節(jié)點的數量可能達到幾百萬個,甚至更多。此外,傳感器網絡工作在比較惡劣的環(huán)境中,經常有新節(jié)點加入或已有節(jié)點失效,網絡的拓撲結構變化很快,而且網絡一旦形成,人很少干預其運行因,此,傳感器網絡的硬件必須具有高強壯性和容錯性,相應的通信協(xié)議必須具有可重構和自適應性.無線傳感器網絡是利用“多跳”來實現(xiàn)低功耗下的數據傳輸因,此其設計的通信覆蓋圍只有幾十米。和傳統(tǒng)無線網絡不同,傳感器網絡中傳輸的數據大部分數據所需的帶寬將會很低(1～100kbit/s)無線傳感器網絡中通常運行在人無法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,網絡中的傳感器由于電源能量的原因經常失效或廢棄因,此電源效率是設計考慮的關鍵因素。對于觀察者來說,傳感器網絡的核心是感知數據,而不是網絡硬件。比如在智能家居應用中人們可能希望知道“現(xiàn)在客廳的溫度是多少”,而不會關心“2號感知數據管理和處理為中心,把數據庫技術和網絡技術緊密結合,從邏輯概念和軟、硬件技術兩個方面實現(xiàn)一個高性能的以數據為中心的網絡系統(tǒng),使用戶如同使用通常的數據庫管理系統(tǒng)和數據處理系統(tǒng)一樣自如地在傳感器網絡上進行感知數據的管理和處理。和家庭等很多領域。例如，傳感器網絡快速部署、自組織和容錯特性使其可以在軍事指揮、控制、通信、計算、智能、監(jiān)測、勘測方面起到不可替代的作用、在醫(yī)療領域，傳感器網絡可以部署用來監(jiān)測病人并輔助殘障病人、其他商業(yè)應用還包括跟蹤產品質量、監(jiān)測危險地域等。本文對無線傳感器網絡體系結構進行了較為深入的研究，從物理體系結構、應用刻畫，如圖2.1所示。大量傳感節(jié)點隨機部署，通過自組織方式構成網絡，衛(wèi)星通信網絡或Internet，與觀測節(jié)點進行交互。觀測節(jié)點向網絡發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。圖2.1無線傳感器網絡的體系機構同工作的能力，依據應用需求，還可能攜帶定位，能源補給或移動等模塊目標是網絡感興趣的對象及其屬性，有時特指某類信號源。傳感節(jié)點通過目運動方向或速度等屬性。傳感節(jié)點對感興趣目標的信息獲取圍稱為該節(jié)點的感知目標信息超過設定閥值，需提交給觀測節(jié)點時，被稱為有效節(jié)點。處理網絡的事件消息和數據，可向傳感器網絡發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務；另一方面，面向網外作為中繼和網關完成傳感器網絡與外部網絡間信令和數據的轉換，是連接傳感器網絡與其它網絡的橋梁。I傳統(tǒng)的無線傳感器網絡采用“平坦”結構，部署在監(jiān)測區(qū)域中用于數據采傳統(tǒng)的無線傳感器網絡采用“平坦”結構，部署在監(jiān)測區(qū)域中用于數據采點采集的數據通過多跳通信的方式，借助網絡其他節(jié)點的轉發(fā)，將數據傳回到匯聚節(jié)點，再通過匯聚節(jié)點與其他網絡連接，實現(xiàn)遠程訪問和網絡查詢、管理。平通信路徑將導致數據包丟失的概率增大，網絡性能下降，也會導致用于轉發(fā)數據的中間節(jié)點更多的能量消耗，降低網絡生存周期。根據IPv6無線傳感器網絡的特點，實際應用中一般采用異構節(jié)點組成的、層次化的網絡，如圖2.2所示。圖2.2異構、層次化的無線傳感器網絡無線傳感器網絡節(jié)點嵌入式軟件部(署在無用開發(fā)層和基礎軟件層組成無線傳感器網絡應用支撐結構(支持應用業(yè)務的開發(fā)與實現(xiàn))。網絡適配層：在網絡適配層中，網絡適配器是對無線傳感器網絡底層(無線傳感器網絡基礎設施、無線傳感器操作系統(tǒng)的)封裝。性。務、網絡連通性服務等。配置中間件：完成無線傳感器網絡的各種配置工作，例如路由配置，拓撲結構的調整等?？蚣芙涌?。資源管理、能量管理、生命周期管理。安全監(jiān)控、安全審計。傳感器網絡需要根據用戶對網絡的需求設計適應自身特點的網絡體系結構，為網絡協(xié)議和算法的標準化提供統(tǒng)一的技術規(guī)，使其能夠滿足用戶的需求。無線傳感執(zhí)行網絡協(xié)議體系結構如圖2.3所示。協(xié)議層可以劃分為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層。而網絡管理面則可以劃分為能耗管理面、移動性管理面以及任務管理面，管理面的存在主要是用于協(xié)調不同層次耗管理、移動性管理和任務管理方面獲得綜合考慮的最優(yōu)設計。管理圖2.3無線傳感器網絡應用系統(tǒng)結構I據鏈路層保證了無線傳感器網絡點到點和點到多點的連接。控制等，是無線傳感器網絡的重要協(xié)議層，也是目前研究的熱點之一傳輸層用于無線傳感器網絡訪問接入Internet或其它外部網絡，為上層應的場合和環(huán)境密切相關，主要任務是獲取數據并進行初步處理，它包括一系列基于監(jiān)測任務的應用程序。改變。無線自組網技術具有以下特點：自組織性、動態(tài)變化的網絡拓撲、多跳路由技術。術分為時間控制、空間控制和邏輯控制3種。時間控制通過控制每個節(jié)點睡眠、則是通過鄰居表將不“理想的”節(jié)點排除在外，從而形成更穩(wěn)固、可靠和強健的拓撲。無線傳感技術中，拓撲控制的目的在于實現(xiàn)網絡的通信的同時保證傳感節(jié)點的能量耗費的高效性。的丟包問題。通過控制網絡中所有節(jié)點的信道訪問方式和順序，達到高效利用網絡容量的目的。目前，物理層主要使用的訪問控制技術包括：無線傳感節(jié)點MAC層睡眠機制、時分復用機制和頻分復用機制等，較具代表性的技最經典的基于睡眠的MAC協(xié)議—S—MAC；AhnG—s等研究的時分復用技術輯；RajendranV等研究的無競爭訪問方法。一方面，由于無線傳感網絡中對能量效率的苛刻要求，高層網絡也需要將監(jiān)控任務信息及節(jié)點控制信息傳送到無線傳感網絡中的特定節(jié)點。因此，高能效的跨層數據傳輸協(xié)議是無線傳感網絡研究的核心技術。傳感網絡可靠性測評技術是無線傳感網絡推廣應用的關鍵技術。傳感網絡可靠性測評技術需要對無線傳感網絡中數據傳輸的可靠性和信息服務的可信性進在惡劣工作環(huán)境和長時間的工作條件下完成監(jiān)測和數據采集任務，無線傳感網絡中普遍存在傳感器的數據采集誤差或功能失效、節(jié)點計算和網絡通信傳輸的誤差、岐變等故障或錯誤。這些故障的發(fā)生可能造成大量人身傷害或財務損失。因此，如何對無線傳感網絡的可靠性進行檢測和評估也是該領域研究的核心技術。目前，傳感器網絡已經獲得了廣泛的應用，可以說已經覆蓋了社會的各個領敵方情報是很危險的，而通過將傳感器網絡放置在敵軍陣地卻可以安全地獲得精確的信息，同時也不容易被敵軍察覺。在士兵、裝備及軍火上加裝傳感器以供識別，分清敵我，防止誤打。監(jiān)控戰(zhàn)場上的狀態(tài)。通過飛機空投等方式將大量廉價微型的傳感器節(jié)點散布在預定區(qū)域，通過這些傳感器節(jié)點實時監(jiān)測周圍環(huán)境的變I場上的狀態(tài)。跟蹤射擊對象的位置。通過傳感器節(jié)點對射擊對象的跟蹤、定位，網絡及時、準確地判斷是否有生化武器及核武器的攻擊，確定生化源、爆炸中心的位置，為軍隊提供反應時間，從而最大可能地減小傷亡。醫(yī)治，而且還大大的減輕了護理人員的負擔及時的收集信息，加強對周圍環(huán)境的監(jiān)測，能夠及時有效地應對突發(fā)事件，將傳感器網絡技術應用于反恐問題，可以有效地放置恐怖襲擊事件的發(fā)生。一個無線網絡進行測試，該網絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這個無線器網絡的特點還要求其必須具有適合自己的性能評價指標。用率、系統(tǒng)平均響應時間、包延遲時間、延遲抖動和丟包率等。網絡對象和網絡承載業(yè)務不同，評價網絡通信性能的主要指標也不同。無線傳感器網能是對目標屬性的實時感知能力，強調節(jié)點間的協(xié)同處理，主要性能量、丟包率、延遲、容錯性和響應時間等。能耗控制中最直接的評價指標是網絡生存期。網絡生存期有兩類定義點變?yōu)楣铝⒐?jié)點，即無法對鄰居節(jié)點傳遞任何數據(鄰居節(jié)點能量耗盡，無法工作的)時間為標識的II類網絡生存期。息為止所持續(xù)的時間。影響傳感器網絡生命部因素，但主要來自部的硬件因素和軟件因素，需要進行深入研究。其中，硬件因素有節(jié)點能源供應的情況，CPU、存儲器、無線通信模塊的能耗情況等；而軟件因素有通信協(xié)議棧的設計、基于應用的數據融合算法等。在設計無線傳感器網絡的軟、硬件時，我們必須充分考慮能源的有效性，最大化網絡的生命周期。假定網絡節(jié)點失效和拓撲變化僅因節(jié)點能量消耗殆盡引起，網絡生存期可通過盡量降低節(jié)點能耗和均衡網絡能量消耗來延長。同應用共有的基礎功能，如目標對象的屬性計、目標對象的分類和識別、目標對象的定位和跟蹤等。因此，常用的基礎功能評價指標有屬性估計誤差、事件監(jiān)測概率、目標誤檢率、定位精度和誤差等。統(tǒng)能在最小能源開銷條件下最大限度地提高感知精度、降低網絡延遲。I由于環(huán)境或其他原因，物理地維護或替換失效傳感器常常是困難或不可能的。這樣傳感器網絡的軟、硬件必須具有很強的容錯性，以保證系統(tǒng)具有高強度性。綜上所述，無線傳感器網絡的性能指標不僅是評價無線傳感也是無線傳感器網絡設計的優(yōu)化目標，為了使對無線傳感器網絡性能的評價有更加科學合理的標準，在此方向上的研究還有大量的工作需要去做第3章無線傳感器網絡的定位算法感器節(jié)點的定位，另一類是無線傳感器網絡對外部目標的定位。本文等因素限制。因此，本論文的目前主要的研究工作是利用傳感器網絡位置的節(jié)點來獲得其他未知位置節(jié)點的位置信息。于已知節(jié)點位置信息的情況下來計算和確定未知節(jié)點或者目標節(jié)點的坐標位置的技術。在應用中，只有知道節(jié)點的位置信息才能實現(xiàn)對目標信息的監(jiān)測，這就需要監(jiān)測到該事件的多個傳感器節(jié)點之間相互協(xié)作。只有正確的節(jié)點定位才是提供監(jiān)測對象信息的前提。于無線傳感器網絡的定位技術，這些節(jié)點的定位技術和方法與無線傳感器網絡的的計算方法、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絡的節(jié)點定位的實現(xiàn)原理和發(fā)展現(xiàn)狀。信標或信標節(jié)點：有的文獻也稱作燈塔節(jié)點、錨節(jié)點、參考節(jié)點等，可通過配置GPS接收器或人工配置等手段自主獲取位置信息，為其它節(jié)點的定位提供基準信息。除去中心節(jié)點和信標節(jié)點，剩余就是普通節(jié)點。鄰居節(jié)點:傳感器節(jié)點通信半徑的所有其它節(jié)點，稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點。跳數(hopcount):兩個節(jié)點之間間隔的跳段總數，稱為兩個節(jié)點間的跳數。I跳段距離(hopdistance):兩個節(jié)點之間間隔的各跳段距離之和，稱為兩節(jié)點間的跳段距。收到無線信號的強度大小，稱為接收信號的強度指示。間，稱為信號到達時間。從一個節(jié)點傳播到另一個節(jié)點所需要的時間之差，稱為信號的到達時間差。到達角度(AngleOfArrival,AOA)度，稱為信號相對接收節(jié)點的到達角度。稱為兩個節(jié)點間存在視線關系。進行分類：是基于距離的(Range-based)定位算法，另一個是距離無關(Range-free的)定位算法。件系統(tǒng)來測量網絡中的節(jié)點之間的距離，這是一個經濟可行的定位方法。距離無關(Range-free的)定位算法不需要測距，該算法僅僅依賴節(jié)點所接收到的通信信息，并且在錨節(jié)點的配合下利用包括質心算法、APIT算法、DV-Hop算法和Amorphous算法等算法來實現(xiàn)定位功能。和鄰近節(jié)點的通信進行信息交換來估算自身的位置。集中式定位算法就是指感器網絡中，中心節(jié)點（一般為計算機）來計算未知節(jié)點的位置，其他節(jié)點負責將數據信息發(fā)送到中心節(jié)點。信中斷。而分布式定位算法實現(xiàn)了分布式計算，便于系統(tǒng)擴展。領域。用分布式無線協(xié)調方式。目前運用了許多不同類型的無線傳感器網絡定位算法和系統(tǒng)，由于應用背景定位算法常用的評價標準[11]：是定位算法或者系統(tǒng)的首要評價指標,一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例度受測距誤差影響較大。然而由于傳感器網同的精度級別要求，可以在精度和能耗、計算復雜度等方面做一個平衡。例如，定位精度為20%表示定位誤差相當于節(jié)點無線射程的20%。也有部分定位系統(tǒng)將二維網絡部署區(qū)域劃分為網格,其定位結果的精度也就是網格的大小，如微軟的RADAR，WirelessCorporation的RadioCamera等。(2)可擴展性導致節(jié)點的死亡或新節(jié)點的補充等因素造成的拓撲變化，算法應具有良好的擴展性適應這些特點。I絡部署環(huán)境的限制，還嚴重制約了網絡和應用的可擴展性.而使用GPS定位，信要指標之一。在WSN中,節(jié)點密度增大不僅意味著網絡部署費用的增加,而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞.節(jié)點密度通常以網絡的平均連通度來表示.許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響。通常定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網絡節(jié)點設備.但在真實應用場合中常會有諸如以下的問題：外界環(huán)境中存在嚴重的多徑傳播、衰減、非視距(non-line-of-sight,簡稱NLOS)、通信盲點等問題；網絡節(jié)點由于周圍環(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)點硬件精度限制造成節(jié)點間點到點的距離或角度測量誤差增大的問題由。于環(huán)境、能耗和其他原因,物理地維護或替換傳感器節(jié)點或使用其他高精度的測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、硬件必須具有很強的容錯性和自適應性,能夠通過自動調整或重構糾正錯誤、適應環(huán)境、減小各種誤差的影響,以提高定位精度。向量路由算法對網絡連通度要求就很高。節(jié)點的密度是影響網絡連通度的主要原因，節(jié)點密度提高了，隨之傳感器網絡的成本也升高了。在定位系統(tǒng)中，能夠實現(xiàn)定位的未知節(jié)點的數目占整個未知節(jié)點數目的比例。進行定位應用；小規(guī)模的定位算法只能在一棟樓或者一個房間實現(xiàn)定位應用。例系統(tǒng)每200ms定位一個節(jié)點。和網絡節(jié)點的數量、硬件尺寸等。3.5.1三邊測量法作為未知節(jié)點的位置。如圖道，它們的坐標依次是(3.1所示。三個錨節(jié)點三個錨節(jié)點到未知節(jié)點A的距離依次是1、的坐標是(x，y)，則會有以下公式成立:由公式（3.1計算出未知節(jié)點A的坐標是:123-1-23-1-2)-1)-132-2+2-2+2-2-2+2-2+2-222I圖3.1三邊測量法傳感器網絡節(jié)點的硬件和能耗限制，所以節(jié)點間測距誤差較大，因此可能會出現(xiàn)三個圓無法交于一點的情況。如果這三個圓不能交于一點，該方法就不可行，這時就需要使用最大似然估計定位法來處理這個距離誤差。據測試結果的交集，大致確定未知節(jié)點的位置。這種方式前提是已知錨節(jié)點數，另外其位置估算的精度會隨著測試次數的增加而增加；即通過方向性天線，利用AOA測量的角度值來定位。在二維平面中，利用兩個或更多AOA測量值，按照AOA定位算法確定多條方位線(未知節(jié)點接收器天線或天線陣列測出錨節(jié)點發(fā)射電波的入射角由，此構成一根從未知節(jié)點到錨節(jié)點的徑向連線，稱為方位線的)交點即可計算出未知節(jié)點的估計位置如圖3.2所示。假定未知節(jié)點A的坐標是(x，y)，三個節(jié)點1、2、的3坐標事先知道，對節(jié)點1和3以及∠12以得到一個圓。如果圓心的坐標是1(1,1)，半徑是1,則α=∠ 通過公式(3.3的)推導，即可以得到圓心的1坐標和半徑1。類推可知，∠2A的3圓心坐標是3(3,3)、半徑是3。接下來我們依據三邊測計算得到A點的坐標。圖3.2三角測量法3.5.3極大似然估計法所示。I點N之間的長度。依據幾何平面中任意兩點的歐式距離公式，如果未知節(jié)點N的坐標是(x，y則會有以下的方程組成：圖3.3極大似然估計法組用Ax=d的線性方程式來描述，有:利用標準的最小二乘法，計算出未知節(jié)點N的坐標是一=()-1。3.5.4最大最小法點的距離測量值為半徑所構成圓的外接矩形，計算外接矩形的質估計坐標。如圖3.4所示已，計算得到的未知節(jié)點D到錨節(jié)點的估計距離錨節(jié)點A、B、C的坐標為(,)(i=1,2,3),加上或減去測距值，得到錨節(jié)點的限制框：這些限制框的交集為：三個錨節(jié)點共同形成的交叉矩形，取矩形的質心所求節(jié)點的估計min-max法在不需要進行大量計算的情況下能得到較好的圖3.4最大最小法線傳感器網絡系統(tǒng)布設完成后面臨的首要問題。節(jié)點定位指根據有限的位置已知的節(jié)點來確定無線傳感器網絡中其他節(jié)點的位置，在無線傳感器網絡的節(jié)點之間建立起位置關聯(lián)關系的定位機制。I3.6.1Amorphous定位算法基本原理Amorphous同DV-Hop算法，該算法思想是利用兩節(jié)點之間跳段距離代表二者之間的直線距離。數跳數，并用式(3.8)計算h局部跳數來代替整數跳數。各參數定義如下：點k的整數跳數；(,)：未知采用式(3.9)來計算平均每跳距離：()|：未知節(jié)點i的鄰居節(jié)點個數。距各信標節(jié)點的局部跳數，計算未知節(jié)點距各信標節(jié)點的距離，如(3.10)式所示。未知節(jié)點i到信標節(jié)點j的最小跳數。以上信標節(jié)點的估算距離，便可以采用三邊測量法或極節(jié)點部署節(jié)點部署計算未知節(jié)點與錨節(jié)點的距離初始化節(jié)點部署計算節(jié)點間最小跳數初始化節(jié)點部署最小二乘法計算自身坐標計算節(jié)點間最小跳數計算節(jié)點間最小跳數計算每個錨節(jié)點校正值平均每跳距離計算定位誤差Y計算定位誤差N錨節(jié)點NYNY錨節(jié)點計算未知節(jié)點與錨節(jié)點計算自身坐標圖3.5Amorphous定位算法流程圖及仿真程序流程圖主要針對與距離無關的Amorphous定位算法的基本介紹。I第4章Amorphous定位算法仿真與分析4.1網絡環(huán)境仿真的設置成算法性能分析。根據無線傳感器的網絡特點，為了能在MATLAB中模擬無線傳感網絡，對需要的進行節(jié)點定位的無線傳感器網絡做如下設定。時僅需三個錨節(jié)點的位置和距離信息；如果是在三維空間條件下進行的自身定位，則需要四個錨節(jié)點的位置和距離信息。有節(jié)點具有相同的通信半徑R，即節(jié)點輻射圍為是以自身為原點，以R為半徑的圓。有的消息最終都能被正確的接收。未知，需要通過錨節(jié)點實現(xiàn)定位。對于一般的計算機網絡，通常采用模擬仿真和實際物理測量結合來衡量一個新的協(xié)議和方法的適用性。但對無線傳感器網絡，由于其自身的特點，物理測量在很多環(huán)境下是行不通的，此時計算機模擬仿真就變成傳感器網絡性能評價的重要手段。顯不同于現(xiàn)有的有線和無線網絡的仿真分析。對于傳統(tǒng)的有線網絡，利用有限代表性的節(jié)點拓撲就可以相當大地模擬整個網絡的性能，但對于無線傳感器網絡，由于其大冗余度，高密度型，無法用有限的節(jié)點數目來分析其整體性能，因此在節(jié)點的并行運算。傳統(tǒng)的網絡仿真主要分析網絡的吞吐量、端對端延遲和丟包率等QOS指標，這些在大多數無線傳感器網絡的應用中都不是最主要的分析目標。相反，以往網絡模型中不是那么被注意的節(jié)點壽命分析、節(jié)點能耗分析倒成為非常重要的分析目標。固定業(yè)務模型。事件的產生也是隨機的，因此不能套用任何一種現(xiàn)存的網絡業(yè)務模型進行建模。是在以往系統(tǒng)中很少見到的。除了上面幾個方面外，無線傳感網絡在許多其他方向都引入了其自身的獨特較精確的節(jié)點模型與協(xié)議抽象也是值得探討的問題。I網絡監(jiān)測信息的準確性、完整性和時效性。合理的節(jié)點作效率、優(yōu)化利用網絡資源，還可以根據應用需求的變化改變活躍節(jié)點的數目，棒性。設計WS的N節(jié)點部署方案時必須考慮以下問題：完全覆蓋是獲取監(jiān)測信息的前提；由于地形或者障礙物的存在，滿足覆蓋也不一定能夠保證網絡是連通的，而在節(jié)點數量最小化的同時實現(xiàn)覆蓋和連通更具有挑戰(zhàn)性。的，電源用完也就意味著節(jié)點的實效，因此在考慮覆蓋和連通的同時也要考慮到節(jié)能的問題。是局部調整還是全局，每步調整是否影響原有的部署。目前對節(jié)點部署的研究主要集中在網絡的覆蓋問題、連通問題和能耗問題三個方面。套完整的節(jié)點部署評價體系。結合WS的N應用特點和系統(tǒng)特性，評價WSN的節(jié)點部署時，主要考慮以下3個方面：慮節(jié)點的冗余和信息的容錯。端。(3)系統(tǒng)能耗(網絡壽命)：由于WSN與其它網絡的最大區(qū)別之一就是能量受限的問題，在完成任務的前提下需要最大限度的延長整個網絡的壽命。標。覆蓋程度：是指所有節(jié)點覆蓋面積的總和與整個監(jiān)測區(qū)域面積的比值，通常可作為網絡監(jiān)測質量的一種度量。現(xiàn)了k重完全覆蓋。當k=時1，稱為單重完全覆蓋。這是網絡運行的基礎。節(jié)點分布圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.1節(jié)點分布圖定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.2誤差圖I節(jié)點分布圖100090080070060050040030020010001000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.3節(jié)點分布圖定位誤差圖01002003004005006007008009001000圖4.4節(jié)點誤差圖如上圖所示，正方形區(qū)域隨機均勻分布節(jié)點圖及誤差分別是圖4.1和圖4.2，正方形區(qū)域網格狀分布節(jié)點圖及誤差分別是圖4.3和圖4.4。的“*”號表示錨節(jié)點，藍色的”表示未知節(jié)點，圖4.2和圖4.4中藍色線的末端表示未知節(jié)點的真實位置，藍色“o”的全表示經過Amorphous定位算法確定的未知節(jié)點的位置。真結果參數表如表4.1。表4.1不同節(jié)點部署參數對比正方形區(qū)域隨機均勻分布節(jié)點正方形區(qū)域網絡狀節(jié)點分布通信模型RegularModelRegularModel錨節(jié)點錨節(jié)點半徑正方形邊長通信半徑網絡平均連通度網絡的平均錨節(jié)點數不能被定位的未知節(jié)點00在每個區(qū)域的節(jié)點數都相同。區(qū)域網絡狀節(jié)點分布為8.72，這樣看正方形區(qū)域隨機均勻分布節(jié)點的連通性比較強，這是因為正方形區(qū)域隨機均勻分布節(jié)點部署在對監(jiān)測區(qū)域進行覆蓋時，分布不均勻，導致有些節(jié)點分布比較集中，有些則比較少，所以它的總體的平均連通性比正方形區(qū)域網絡狀節(jié)點部署的連通性要好，而且未知節(jié)點周圍的平均錨節(jié)點數也比網絡狀節(jié)點部署要多。但是，從表4.1得出的定位誤差來看，網絡狀分布的節(jié)點部署定位誤差較小，這也正是因為如上所述的節(jié)點部署覆蓋的問題，網絡均衡一些，這樣可以避免過早出現(xiàn)失效節(jié)點，即起到了平衡能量負載的作用，所以對于Amorphous定位算法的定位影響較小，所以誤差較小。對于Amorphous定位算法，這兩種節(jié)點部署各有優(yōu)勢，關于正方形區(qū)域隨機I難以到達的地方，還有大規(guī)模的傳感器網絡也采用這種方式。隨機部署方式簡單難以到達的地方，還有大規(guī)模的傳感器網絡也采用這種方式。隨機部署方式簡單部署可能導致某些區(qū)域節(jié)點密度過高有些區(qū)域節(jié)點布置地過于稀疏，造成網絡資源不平衡，網絡不能完全覆蓋，穩(wěn)定性相對較差。對于第二種正方形區(qū)域網絡狀節(jié)點分布的部署方式，按照算法計算出每個節(jié)點的確切部署位置，再通過機器或者人工的方式將節(jié)點是對監(jiān)測區(qū)域實現(xiàn)完全覆蓋。適合確定部署方境才符合，所以當前只有少數傳感器網絡使用。知節(jié)點設為中心設定它的通信半徑為200m,計算出通信距離它為200的m功率，然為重要，直接影響通過Amorphous定位算法定位的準確性。下面我們將介紹在Amorphous定位算法中計算鄰居節(jié)點關系的RegularModel和LogaAttenuationModel兩種傳播模型進行分析。變化而成衰減的趨勢。對于任意的T-R的D距離,平均大尺度路徑損耗表示為為10ndB/十倍程的直線，值依賴于特定的傳播環(huán)境。例如，在自由空間中為 2，有阻擋物時，值變大。下圖為距離與信號節(jié)點的關系圖，設定每個相鄰節(jié)點的距離為5mBEQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up3(d),S)(0相鄰點的距離相差5m20406080100120140160180200圖4.5節(jié)點的距離與信號強度的關系呈單調遞減的關系。式（4.1）的模型未考慮在相同T-R距離的環(huán)境下，不同的位置差別非常大導致了測試信號與式（4.1）預測的結果有很大的差異。測試表明，對于任意的d值，特定位置的路徑損耗分布如下所示：0和00位也是dB。I定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.7定位誤差圖一（100個節(jié)點，15個錨節(jié)點）定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.8定位誤差圖二（200個節(jié)點，15個錨節(jié)點）定位誤差圖12001000800600400200001002003004005006007008009001000圖4.9定位誤差圖三（200個節(jié)點，30個錨節(jié)點）定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.10定位誤差圖一（100個節(jié)點，15個錨節(jié)點）定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.11定位誤差圖二（200個節(jié)點，15個錨節(jié)點）I定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.12定位誤差圖三（200個節(jié)點，30個錨節(jié)點）模型誤差圖為圖4.7,、圖4.8、圖4.9，LogarithmicAttenuationMode模型誤差圖為圖4.10、圖4.11和圖錨節(jié)點15通信半徑近地參考距離0路徑損耗指數η標準偏差σ通信模型網絡平均連通度網絡鄰居錨節(jié)點平均數通信模型正方形區(qū)域隨機均勻節(jié)點分布錨節(jié)點半徑4RegularModelLogarithmicAttenuationModel網絡平均連通度22.81523.61網絡鄰居錨節(jié)點平均數點就提到過，節(jié)點分布不均勻，在監(jiān)測區(qū)域，有些區(qū)域節(jié)點集中分布，有些區(qū)域小。出（參照圖4.7、4.8、4.9）,但錨節(jié)點數固定為1時5，節(jié)點數為10時0，定位誤差為0.53（圖4.7但是當節(jié)點數為20時0，位誤差為定位為0.27，定位誤差大幅度減?。辉偌由袭斂偣?jié)點數固定為20時0，錨節(jié)點增加一倍，定位誤差為與原來錨節(jié)點數為15只減少了0.01，這0.0的1相差就只是因為節(jié)點的分布均勻情況（這直接反映在聯(lián)通度值上）。所以的出結論，在Amorphous定位算法仿真中，RegularModel通信模型只與節(jié)點數有關，與錨節(jié)點數無關，節(jié)點數越多，節(jié)點間的距離越小，信號強度越強，定位誤差也就越小。由表4.2數據可以直接看出（也可參照圖4.10到圖4.12在Amorphous定位算法仿真中，定位誤差一直高居不下，所以對于在運用Amorphous定位算法進行定位時，我們一般不采取LogarithmicAttenuationModel通信模型?？傊x擇通信模型尤為重要，本課題主要針對Amorphous定位算法定位所使用的通信模型對它定位精度的影響，在無線傳感器使用Amorphous定位算法定要考慮成本、定位精度，外界環(huán)境等問題，綜合考慮，選擇合適的傳播模型。4.4.3Amorphous與其RSSI、MDS-MAP算法的對比分析RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)是接收到的信號強度指示定I出未知節(jié)點的位置。機處的天線接收到的信號強度為：平方衰減。通過測量接收信號的強度，再利用式(4.4就)能計算出收發(fā)節(jié)點間的估計距離。同的傳播損耗。實際環(huán)境中通常采用如下經驗公式：0的相對坐標圖。構造的多維空間上的點與各個實體相對應，通過實體的相似度來反映空間上點的距離信息。在經典計量多維標定中，實體間的相似度是用歐氏空間的距離來表示，假設實體i和實體j之間真實的歐氏距離為，它的目標是利用各實體間歐氏距離構成的相似性矩陣，重構這些實體在多維空間上對應的點坐標。維空間上坐標i和j之間的Euclidea距n離為：當這種表示節(jié)點分布的幾何圖形與近似數據相似性就成下述映射關系=?(),在經典計量多維標定算距離矩陣D是由相似性矩陣P決定，因此兩者的關系密切。這種映射關系可以用不同的方法定義，最小二乘方法（least-squares）是一種經典計量多維定標算法所常用的方法。在這種方法中定義I()=+E,其中I()是關于矩陣的線性轉換E為誤差矩陣。因為矩陣由坐標矩陣X計算得出，因此經典計量多維陣P，有如下等式：2=1∑=1,可得坐標矩陣=1?2。?123、將(2雙)重中心化（double-center）即,(2)作用乘上中心矩陣J?12表示錨節(jié)點，藍色“o”表示未知節(jié)點經過定位算法被定位的位置，品紅色的正方形表示不能被定位的未知節(jié)點，藍色線的I置的偏差，藍色線末端表示未知節(jié)點真實的位置。定位誤差圖120010008006004002000-200-200020040060080010001200圖4.13RSSI仿真定誤差圖定位誤差圖1000900800700600500400300200100001002003004005006007008009001000圖4.14MDS-