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1、摘要无线传感器网络(Wireless Sensor Network ，WSN)是一种正在快速发展的信息处理技术，它集成了传感器技术、嵌入式技术、电子技术和无线电技术，在国防科技、抵抗灾害、探索空间、卫生医疗、精细农业、监测环境、交通管理等各个领域有着广泛的运用，并且实现了大规模的检测和追踪。其中节点定位技术是无线传感器网络的主要技术之一，是实现目标识别、监控、跟踪的前提。针对WSN这种特殊的自组织网络，研究者开始广泛关注成本较低，硬件设备简单的Range-free定位技术。因此，本文重点研究了无线传感器网络的Range-free定位算法，深入探讨和研究了无线传感器网络中的节点定位技术。本文首先
2、总结了无线传感器网络的研究背景、发展状况、制约因素，归纳了无线传感器网络结构、特点、基本原理及对系统性能的评价标准；然后讨论了WSN定位算法的分类，并详细研究了基于Range-free的几种定位算法；重点分析Range-free定位技术中DV-Hop定位算法，针对其平均每跳距离不精确导致定位精度不高的问题，研究了一种改进的DV-Hop算法，并在MATLAB仿真环境下就其定位结果和传统的DV-Hop算法的定位结果进行了算法仿真分析，仿真结果显示改进算法定位精度要高于传统算法；最后就论文工作进行了总结并对后续工作进行了展望。关键词：无线传感器网络、Range-free定位算法、DV-Hop定位算法
3、AbstractWireless sensor network is a new information processing technology, which integrates sensor technology，embedded technology，electronic technology and radio technology. As a new technology，wireless sensor network is used in national defense science and technology, environmental monitoring, spa
4、ce exploration, health and medical, precision agriculture, traffic management, and other areas of discaster resistance, to achieve large-scale detection and tracking. Node localization technique-the main technology for wireless sensor networks,is the premise to achieve object recognition, monitoring
5、 and tracking. Current Localization Schemes for Sensor Networks are in a wide range, Range-Based and Range-Free Localization Schemes are widely in used. Considering the cost and power consumption, Range-Free Localization seems more advantageous than Range-Based Localization. People have paid more at
6、tention to Range-free location technology for WSN, which is a special self-organizing network. Therefore, this article focuses on Range-free localization algorithm for wireless sensor nodes in the Network Localization Technology. First, I summarized the architecture of wireless sensor networks, char
7、acteristics, basic principles and evaluation criteria for system performance. Then，I discussed the localization algorithms classification for WSN, and studied the typical location algorithms of Range-Free Localization Schemes in details;after that, I analyzed the DV-Hop localization algorithm in Ran
8、ge-free localization algorithm, and researched an improved DV-Hop algorithm against the problem, that as the hopsize is not precise so the accuracy is not high. And simulation analysis and performance evaluation was made in matlab. At last，the fliturc work was prospected based on the results of the
9、wireless sensor network development.Keywords：wireless sensor networks, Range-free Localization algorithm, DV-Hop algorithm第1章 前言1.1 研究背景无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种大规模网络，由自组点的传感器节点构成，这种方式与Ad Hoc网络的组网方式相似，是随着微机电系统、数字电子技术和无线通讯的快速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式，它将通信、嵌入式计算和传感器技术三大技术基础相结合，成为近年出现的比较热门的研究领域
10、之一。实现信息化的前提是信息的获取，而获取信息的重要工具之一就是传感器。传感器等信息获取技术和传送技术的进步为WSN的发展和应用奠定了基础。由于无线传感器网络的许多应用都是基于节点的位置信息，所以监测消息中一定要包含位置信息量，WSN的监测活动的重点在于如何去取得有效的事件发生位置或获取信息节点的位置。因此实行WSN的两个基本功能，即确定事件发生位置和获取消息节点的位置，成为了WSN应用的关键。随着信息科技的发展，Internet为人们的生活提供了方便，并成为信息交换不可或缺的部分，WSN的应用将改变我们的生活方式。无线传感器网络包含数百甚至数以万计的低成本、低功耗、多功能的传感器，这些传感器
11、节点在小范围内进行通信，通过节点间不断的信息交换他们可以传送信号给目标网络，而大量廉价微型传感器节点的出现，更加速发展了无线传感器的大量应用。无线传感器网络属于自组织的系统，是一个协同工作的具有感知、采集、处理对象信息能力的系统。作为一种新技术，无线传感器网络在许多应用领域都有较大发展空间，如军事应用、环境或工业控制和监测、野生动物监测、安全监控、医疗护理、智能家居、预警系统等。但如果不知道节点的位置信息，这些应用也就毫无意义，因此无线传感器网络节点必须在知道位置信息的基础上实现对目标的定位、跟踪等。因而研究无线传感器网络的首要任务也就是通过相关算法和机制来实现对网络节点的定位。目前能够实现自
12、身定位的方法和系统很多，应用较广的应该是全球定位服务系统(GPS)。我们当然可以为传感器网络中的节点都配备GPS系统，但这样会使网络成本过于昂贵；并且由于传感器网络需要通过飞机撒播或随机部署等方式将大量的传感器节点随机分布到某个区域内，这也要求节点能源消耗尽量小、易于更换；同时GPS定位系统也不适合于在室内或条件恶劣的环境下使用。从以上几个方面考虑，GPS系统都不适合于实现无线传感器网络定位的需求，因此节点定位问题已成为无线传感器网络的一个重要研究方向。1.2 无线传感器网络的发展状况1.2.1 无线传感器网络的发展上个世纪八十年代，受到前期投入大和商业利润较小等因素的影响，无线传感器网络的研
13、究都是美国军方的国防项目，到九十年代DARPA才收到一些美国高校学者研究申请计划书，其中以1994年加州大学伯克利分校William J. Kaiser教授的“LowPower Wireless Integrated Micro sensors”研究计划书最有影响；1999年题为 传感器走向无线时代论述了WSN的出现；同年8月美国商业周刊将其列为21世纪最重要技术之一；2003年列入四大新技术之一；美国Technology Review杂志将其列为未来新兴十大技术之首，都标志着无线传感器网络逐步成为人们生活中不可或缺的技术之一。无线通信技术的发展，给无线传感器网络提供了更好的发展空间，可以应用
14、在和人们生活密切相关的更多领域。与此同时，也有很多国外关于无线传感器网络的研究计划不断提出，SmartDust4、WINS5、PicoRadio6、 SCADDSm和pMPS8都是其中比较重要的。无线传感器网络大致经历了4个阶段的发展历程。第一阶段是20世纪70年代, 使用的传统传感器，具有简单信号获取能力，采用点对点传输；第二阶段采用串/并接口与传感控制器相连，可以获取多种信息信号；第三阶段在20世纪90年代后期和本世纪初，传感器网络中节点使用的传感器具有智能获取多种信息信号的能力，利用总线连接模式，构成局域网络；第四阶段也就是现在，将对传感器网络的研究侧重于用大量传感器节点，通过无线采用自
15、组织的方式接入网络，再通过网络控制器完成对网络的控制与管理。到目前为止，研究者们对无线传感器网络的研究重点主要集中在两个方面：一方面主要关心网络本身的节点自定位、动态功率管理、时钟同步、目标跟踪、路由分析和软、硬件的设计和制造等；而另一方面主要研究以WINS和Smart Dust为代表性项目的利用微机电系统(MEMS技术)设计的小型化节点设备。1.2.2无线传感器网络的应用无线传感网络技术在国家安全和军事领域有较多的研究。它包含了由多个传感器节点构成的系统网络，这些网络节点所设置的传感器可以是红外传感器、雷达传感器、热量传感器、磁力传感器、振动传感器。利用传感器收集热量、声音、电磁波等各种信息
16、，完成监控、识别等任务，如果节点位置未知，那感知到的数据也就毫无意义，因此对于大多数应用必须是在明确知道节点自身位置前提下实现对外部目标的定位和追踪。另外无线传感器网络还可以优化网络结构、提高网络效率、提供网络命名空间。无线传感器网络技术不仅应用于新兴行业，在传统行业也有着较广泛的应用，同时对于一些危险生产行业，可以利用无线传感器网络实现对易燃、易爆、有毒物质的监测，提高工作人员的安全性。由于技术等方面的制约，无线传感器网络无法实现大规模商业应用，目前主要集中在以下领域：1.环境监测及生态保护我国是灾难多发的国家，自然灾害对我国国民经济，人民的人身和财产安全带来了巨大的伤害。如何正确的处理发展
17、与环境之间的关系，正成为人们最关系的问题，政府也积极采取各种政策保障经济的可持续发展。我们可以利用无线传感器网络对生态环境进行监测，对自然灾害提出预警和监控，例如：可通过对濒危物种的生存环境、生活习惯的监控，了解种群变化受环境影响的程度，研究如何保护；可在境内主要湖泊、河流设置传感器节点，检测水源地水质情况保证用水安全，监测水位变化情况防止水灾的发生。还可在地震带、林区、山区设置传感器节点，监测地质活动、火灾、泥石流等地质灾害的情况，即时获取灾害各种情况并发挥临时的通信保障用途。此外，它也可以应用在精细农业中，监视农作物灌溉情况、监测农作物中的害虫、牲畜和家禽的环境状况、土壤的酸碱度和施肥状况
18、等。2.国防领域现代军事发展正由信息技术推向新领域，现代战争就是信息化的战争，而信息化战争需要做到“看得清、反应快、打的准”。无线传感器网络具有的独特优势，可以满足军事信息在各方面的要求。最直接的做法就是利用无人飞机将传感器节点布置在战场的各个区域，通过无线传输将战场上的各种信息收集起来，通过一定的分析方法获取战事信息做到知己知彼。3.医疗健康通过无线传感技术可以建立全新的医疗健康服务体系，改变医院对患者群体单一服务模式，推进对健康人群服务。医院在患者身上传感器节点，收集患者生理特征数据，医生远程了解患者情况并实施处理。这种模式还可以跨医院、跨区域应用，打破传统医院实体形式，形成无界限医疗服务
19、体系，解决医疗资源不平衡问题。无线传感器网络还在医疗研究、护理领域也可以大展身手。在新药物的研制和开发中需要大量数据，企业和医院可以对特定人群长期监控，利用传感器网络收集人体生理数据，而微型传感器也不会给被监控者带来生活的不便。在护理领域，政府可以通过在学校、养老院、福利院或容易发生公共卫生安全地方安装传感器，帮助困难 全体解决公共卫生问题，解决各社区群众大病、重病、疑难病的就医难问题。协助社会工作者更好为老人、残障人士提供帮助。总之，无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。4.工程领域我国经济的高速发展，国家基础建设项目的建设单位和监管单位，一直关注如何保证施工的安
20、全及项目的运行安全。如三峡工程、2008年的奥运场馆、杭州湾大桥和海底通信光缆等。如果我们将无限传感网络植入这些工程中，就可以让场馆、管道和建筑物本身智能的提供大量信息，从而让施工单位和管理单位能够通过这些信息调整施工进以及维修工作的安排。同时对珍贵的占老建筑进行保护，是文物保护单位长期以来的一个工作重点。将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测。此外，对于珍贵文物而言，在保存地点的墙角、大花板等位置，监测环境的温度、湿度是否超过安全值，可以更妥善地保护展览品的品质。此外，无线传感器网络在国家大型基建工程项目上有着
21、较好的发展前景。我国即将建设引海水入新疆的工程，以及和俄罗斯一起建设的输油管道工程，这些工程需要在很多无人区施工，而这些特殊的地理环境给施工和后期的维护出了难题。如果我们将成熟的传感器网络技术融入到这些工程项目上，可以为国家节省上亿元的资金。5.未知空间探索海洋和外太空是人类一直渴望了解和开发的区域，我们可以借助深海机器人和航天器，在人类自身暂不能达到的地方，通过布置传感器网络节点，实现对该区域的监测。6.其他领域应用除了上述提到的应用领域外，无线传感器网络还可以应用于工业生产、智能家居、仓库物流管理、先进制造、安防系统、交通控制等领域。无线传感器网络的微型化、自组织和对外感知能力的特点，为我
22、们提供了方便快捷、人性化和低成本的智能环境。1.2.3 制约因素虽然无线传感器网络的应用领域非常广，但在实际应用过程中也受到很多因素的制约，主要表现为以下各方面：1.成本因素：由于无线传感器网络需要布置大量节点，这样节点成本的高低是制约其大规模广泛应用的重要因素，需根据具体应用来均衡成本、精度及能耗。2.能量供应：无线传感器网络的主要特点之一就在于它具有较高的自组织性和灵活性，这就需要网络采用一次性独立供电系统，因此要求网络工作能耗低，网络的生命周期长，这也是扩大其应用的重要因素。3.通信问题：信号传输过程中可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，因此通信过程中的完全性和抗干扰性是个有待
23、研究的问题。4.定位性能：由于存在网络规模大小、锚节点数量及分布情况、环境因素、硬件资源等多方面因素的限制，会导致目标定位的精确度受到程度不同的影响，如何减小定位的误差保证定位的准确性是目前研究的热点之一。5.硬件安全：由于无线传感器网络的应用可以涉及到各种不同的特殊环境，例如海洋、化学污染区、水流中、动物身上等，不同环境对对节点的硬件要求各不相同，如何有效防止节点工作中受外界环境的干扰、破坏、腐蚀等，提高硬件环境工作的可靠性，也是无线传感器网络研究的方向之一。6.自组性：无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的组网技术，有多种形态和方式。在某些特定应用中，节点或网关需要移动，导致在网络快速
24、自组上存在困难，该因素也是影响其应用的主要问题之一。第2章 无线传感器网络定位问题概述2.1 无线传感器网络定位的概念2.1.1 基本概念传感器网络是由多种技术综合而成的一种现在网络技术，它通过微型传感器作为感知探测器，收集各种物理世界信息，通过嵌入式的通信模块传输到后方用户终端，实现对客观物理世界进行监测。综合技术包括传感技术、通信技术、嵌入式处理技术，网络技术等等。在无线传感器网络的发展中，其核心技术节点定位技术成为研究领域的热门话题之一。节点定位是根据传感器网络中为数不多的己经确定了自身位置的已知节点，利用测量得到的未知节点与已知节点之间的相关信息而计算未知节点位置。要想知道传感器网络节
25、点监测到的信息的具体位置，就必须让网络节点首先知道自身的位置信息，这就需要通过监测到多个传感器网络节点之间的相互作用信息，再根据各种有效的定位技术或算法来确定事件发生的具体位置。在传感器网络中，能提供监测事件位置信息的前提是网络节点自身定位的准确性。通常在布置传感器网络节点时是采用随机放置的方法，获得节点位置的最常用的方法可以用全球定位系统(GPS)来实现。但在传感器网络中给每个节点配置全球定位系统的成本是相当高的，同时还要受到体积、功耗等因素限制，就需要在大部分节点本身不具备定位能力的基础上，采用合理的节点定位技术来达到定位的目的。2.2 无线传感器网络体系结构及特点2.2.1 无线传感器网
26、络结构无线传感器网络系统结构如图2-1所示，是由大量随机部署在监测区(Sensor Field)的传感器节点所构成的，节点被分成了传感器节点(Sensor Node)、汇聚节点 (Sink Node)和管理节点三类。这些传感器节点是通过自组织的方式来构成网络，他们将收集到的数据采用单跳（在节点通信半径内）或多跳（借助邻居节点）的方式逐跳地传输给汇聚节点，由于大量传感器节点收集到的信息可能相同或相似，为了降低通信开销，在传输过程中这些相似信息需要经过数据融合，再经过多跳路由传输到汇聚节点，最后通过网络连接发送到用户。用户再将监测任务以及监测数据的收集通过管理节点发布出去，实现对无线传感器网络的管
27、理和配置。图2-1无线传感器网络的体系结构2.2.2 传感器节点结构传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，具有低成本、低能量、体积小、支持无线通信的特点，一个传感器节点要包括数据采集单元、数据处理单元、通信单元和电源四个部分。数据采集单元通常是一个传感器，负责收集外部信息，同时还要将感知到的各种信息转化为数字信号；数据处理单元包含了存储器和微处理器，负责对接收到的数据进行各种存储和处理，并负责对整个网络的控制；通信 元是负责实现节点之间的无线通信的，要完成控制消息和处理数据的接收与发送工作；能量供应模块提供传感器节点正常工作所必须的能量，考虑到传感器节点的自组织性和灵活性以及其处理能力、通信能
28、力和存储能力，通常采用微型电池来提供能量。图2-2传感器节点体系结构2.2.3 传感器网络协议栈图2-3表示的是无线传感器网络协议框架，包括五个部分：物理层（Physical Layer)主要负责提供调制、发送和接收技术；数据链路层(Data Link Layer)负责控制对无线信道的使用，保证节点之间相互通信时的网络通畅；网络层(Network Layer) 负责完成数据融合，路由监测数据到汇聚点；应用层是根据实际监测任务的需求开发和使用不同的应用层软件；而传输层是根据应用层的需要协作维护数据流。在各层网络结构中都需要包括三个管理平台：能量管理平台(Energy Management Pla
29、tform)、任务管理平台(Task ManagementPlatform)和移动管理平台(Mobile Management Platform)。能量管理平台负责传感器节点对能量的合理利用；移动管理平台负责传感器节点的移动控制；任务管理平台负责在区域内完成对监测任务调配。2.2.4 无线传感器网络特点无线传感器网络与现有无线网络（如无线广域网络WWAN、无线局域网WLAN、无线个人局域网WPAN、移动自组网Ad Hoc)相比具有以下特点：1.供电续航能力有待提高传感器节点所布置的位子没有电源提供，节点靠自身携带的电源工作，由于传 感器节点体积微小，所能够携带的能量极其有限。传感器节点投放后不
30、可回收进行二次充电，所以一旦能量耗尽网络中可用节点数就会下降，下降到一定程度传感器网络就失效。因此在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。2.网络通信能力有待提高传感器网络的通信能力容易受外部环境所制约，地理环境变化、气候环境变化，使得网络通信连接会出现时通时不通的情况，加之网络节点通信距离使得通信覆盖范围有限，网络与网络之间需要靠路由转换，若不使用路由靠普通网络节点完成连接，对相关设备的通信能力就有着更高的要求。所以传感器网络的如何在复杂环境下保障良好的通信能力是目前发展传感器网络重要的挑战。3.网络节点功能复杂化传感器节点主要组成部件是嵌入式处理器和存储器，属于微型嵌
31、入式设备。嵌入的处理器和存储器可以使传感器节点具有了一定的数据处理能力，如何利用这种处理能力，将收集的信息进行初步的处理对网络节点的功能提了更高的要求，最直接的办法是将处理器计算能力提高和增加储存量。4.大网络概念由于受到网络节点的特性，为了获得精确的数据信息，使得在监控范围类大量的投放传感器节点，单位区域类的传感器节点密度越大，所收集的信息量就越大，传感器节点的冗余，使网络有了很强的容错性能，减少网络盲区。5.网络动态性强由于传感器、感知对象和观察者这三要素都具有移动性，传感器网络的拓扑结构会动态变化，经常会有新节点加入或己有节点失效。因此，传感器网络必须具有可重构和自调整性。6.抛弃式管理
32、方式传感器网络需要对成千上万的动态触发器进行管理。由于传感器节点工作的区域多半是人迹罕至地区，工作环境相对恶劣，节点长期在露天环境工作，日晒雨淋，还会受到野生动物的破坏。人工维护的方式不可行，所以在网络节点的管理上，让节点自生自灭不维护。因此传感器网络节点的硬件设备要有很强生存能力。7.巨大感知数据量监控的区域投放的传感器种类丰富多样，存在的客观物理世界靠网络中所部署传感器来感知，感知到并获取到的物理世界信息量是复杂的，如何将这些信息量分类、分析和处理，对传感器的应用系统也提出多种多样的要求，单一的应用系统是无法完成对复杂信息量的处理工作。2.3 无线传感器网络定位基本原理根据网络节点是否能直
33、接获取自身位置信息将无线传感器网络中节点类型分为2类，通过人工部署在固定位置或配备了GPS定位系统或者其他机械装置获得位置信息的高功率发射机的网络节点称为锚节点(anchor node)，也称为信标节点(beacon)；需要通过锚节点以及邻居节点辅助定位的网络节点称为未知节点(unknown node)。而邻居节点可以是位置已知的锚节点，也可以是未知节点，但必须是在节点的通信半径内可直接相互通信的网络节点。在对未知节点定位的过程中，定位的方法可以根据实际环境和系统的需求各不相同，但在未知节点获得了与邻居节点或锚节点的位置信息（通常是相对距离或相对角度）后，再利用三边测量法，三角测量法或极大似然
34、估计法来计算自己的位置。2.3.1 三边测量法三边测量法的基本原理如图2-4所示，已知节点A，B，C的坐标为(xa，ya)、(xb，yb)、(xc，yc)，他们到点D的距离分别为da、db、dc，假设点d的坐标为（x，y)。则有方程组 （2-1）由方程组（2-1）可知：2.3.2 三角测量法三角测量法也称为方位测量法。未知节点通常需要配备接收器天线或天线阵列，通过测量接收到的锚节点发射电波的入射角，再根据测得的多个锚节点的方向角测量值，找到未知节点与这些锚节点连线的交点，即可根据几何关系和锚节点位置坐标求出未知节点的估计位置。图2-5表示了三角测量法的基本原理，已知锚节点A，B的坐标分别为(x
35、a，ya)、(xb，yb)，假设未知节点D的坐标为(x，y)，并假设D测得锚节点A，B发出信号的到达角度分别为1和2，则有： （2-2）再通过求解上述非线性方程，可以求出节点D的位置坐标(x,y)2.3.3 极大似然估计法极大似然估计法，也称多边测量法，如图2-6所示。已知1、2、3等n个节点的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2).(xn，yn)，它们到未知节点D的距离分别为d1、d2.dn ,假设节点D的坐标为(x，y)。那么，存在下列公式： （2-4） 从第一个方程开始减去最后一个方程，得：（2-5）（2-5）的线性方程表示为：AX=b，其中： A= b= X=再用标准最小均方差估计可
36、以得到节点D的坐标为： 极大似然估计法是利用甩个节点的位置信息来对未知节点进行定位，因此同三边测量法相比，减小测距误差对定位精度的影响。2.4 无线传感器网络定位性能评价无线传感器网络的设计实施需要一套性能评价体系来验证网络性能，评价体系的是否科学高效，对无线传感器的发展有着重要意义，下面介绍行业公认的几个常用评价指标：1.定位精度：指空间实体位置信息与其真实位置的接近程度。具体到无线传感器网络中，是用节点无线射程与误差值之间的比作为衡量标准。定位精度越高表示定位误差所占节点无线射程的比例越高。在微软的RADAR, Wireless Corporation系统中，利用的是将二维网络区域部署方式
37、，其定位的精度取决于二维网络格的大小，网络格越小定位精度越高。2.定位覆盖率：评价的是有效网络节点数量，高覆盖率的网络中定位出的节点数大于未知节点数，占总节点比越高越好。3.锚节点比例：GPS和人工部署是锚节点定位实现的两种方式，网络部署的环境制约着人工部署，同时限制了网络的应用。GPS定位方式的成本很高，普通节点费用只有锚节点费用的十分之一，因此锚节点比例升高网络成本将成倍增加。4.节点密度：在无线传感器网络，信息的收集是靠传感器构成的节点来完成的，是不是节点的密度越高，所能釆集的信息就越多呢？事实却不是这样的，节点密度过高可能会引起节点间通信的冲突，从而堵塞带宽。通常的做法是以网络平均连通
38、率来表示节点密度。所以说节点密度能够决定一个定位算法的精度。5.容错性和自适应性：设计一个无线传感器网络时，设计者会考虑监控环境的因素，但通常会先认定网络中有可靠的网络节点设备，网络中的节点通信质量较为理想，等到了现实环境中，外界环境会破坏网络中的节点设备影响网络通信质量。网络信号衰减，通信存 在盲区，而网络节点设备自身损坏、使用寿命和周围环境出现不起作用。由于环境因素，节点设备不可维护，迫使定位系统和算法需要具有很好的容错性和自适应性， 能够通过适应环境、重组结构来减少各种误差，提高网络定位精度。6.功耗：信号处于稳态条件下，传感器在工作范围内所消耗最大瓦特数，由于节点设备能量有限，设备所进
39、行的一切工作都与功耗密切相关，在正常工作状态下，如何进行更多的计算、存储、传输都是功耗对无线传感器网设计和实现重要要求。7.代价：在无线传感器网络中代价通常是指几个方面的成本。时间成本，完成一个定位系统建设所需的时间；空间成本，定位系统对监控区域、基础设施及网络节点数量的基本要求；资金成本，完全实现一个无线传感器网络并维护运行的总费用。为了推动无线传感器网络技术的不断发展，网络性能评价标准会不断变化，评价标准是某部分的标准，但他们之间是相互关联互相影响的，根据实际情况选择合理的标准，实现设计目标，还需要大量的研究工作，这也是完善无线传感器网络定位系统和算法标准重要途径。第3章 无线传感器网络定
40、位分类3.1 Range-based 定位和Range-free定位Range-based定位需要测量节点间的实际距离或方位。定位过程分3步完成：首先测量未知节点到多个分布在网络中不同位置的锚节点的距离或角度；然后利用各种位置估算法计算未知节点的估计位置；最后对初步计算得到的估计位置求精，减少误差。Range-free定位是根据网络连通性等信息完成定位，不需要测量节点间的距离和角度信息。Range-based定位算法包括有RSSI (基于信号强度)，TOA (基于到达时间)，TDOA (基于到达时间差）和AOA (基于到达角)。RSSI通过信号强度大小求出节点间距离，由于受到通信模式的影响测距
41、误差有时会达到50%，定位误差受测距误差影响较大；TOA对时间同步要求很高，无法用于松散耦合型定位；TDOA通常采用超声波信号测距，而超声波信号传播距离有限，因而网络需要密集部署；AOA也容易受到外界环境影响，因此对传感器节点硬件条件要求较高。同时为了减小测距误差对定位误差的影响，这些算法在测距完成后都需要采用优化算法对结果进行求精处理，这会增加网络的通信开销，也就提高了对节点能耗的要求。由于当定位误差小于传感器节点无线通信半径40%时，定位误差对路由性能和目标追踪精确度的影响不会很大，考虑到功耗和成本因素，在对精度要求不高的环 境下更多的会采用Range-free定位算法，质心算法、DV-H
42、op算法、凸规划算法、Amorphous算法、APIT算法和MDS-MAP等都是典型的Range-free定位算法。3.1.1 Range-free 定位技术Range-free定位技术的定位方式可以降低对节点硬件成本的要求，但会影响节点的定位精度，但一般都能满足大多数应用的要求。质心定位算法是用节点所在区域的几何多边形的质心表示未知节点的位置。利用未知节点所在通信半径内的锚节点构成一多边形，用多边形顶点坐标的平均值表示质心的坐标，如：多边形的顶点坐标为A(x1，Y1)、B(x2，Y2)、C(x3，Y3)、D(x4，Y4。)、E(x5，Y5)，则其质心坐标为：在质心算法中，锚节点周期性地向邻近
43、节点发送信息，然后设定一个闸值，当未知节点收到的节点信息超过这个闸值后，组成的多边形的质心即为节点的位置：其中(Xi1，Yi1)（Xik，Yik）为未知节点能够接收到的锚节点坐标。质心算法实现起来比较简单，但这种算法是在假定无线信号传播范围是理想的球形区域的前提下提出的，受实际无线信号传播模型的影响，所以误差比较大。3.2.2 DV-Hop定位算法DV-Hop算法是一种基于多边测量法的定位算法，定位分为3个阶段完成。首先，使用典型的距离矢量路由算法找到每对参考节点之间以及未知节点和每个参考节点之间的最少跳数。然后，参考节点根据其他参考节点位置和到这些节点的最小跳数按照式（3-3）计算平均每跳所
44、对应的距离HOP-SIZE： （3-3）其中，（xi，yi）、（xj，yj）是锚节点i、j的坐标，hj是锚节点i与j(ij)之间的跳数。然后将其作为一个校正值广播至网络中。如果网络是全联通的话，未知节点会收到所有参考节点HOP-SIZE，它会根据离自己最近的参考节点的HOP-SIZE和距离所有参考节点的跳数计算他到所有参考节点的距离，当能够收到3个或3个以上锚节点的估计距离时，就可以利用三边测量法实现对未知节点的定位。如图3-1所示，已知锚节点P1与P2，P3之间的距离和跳数。相邻锚节点间的平均每跳距离：P1：(20+40)/(3+5)=7.5，P2：（20+30)/(3+3)=8.33，P3
45、为(30+40)/(3+5)=8.75，然后锚节点将这个这个距离发送至邻居节点，最后未知节点P得到最小跳数对应的那个平均距离，即P2所对应的平均每跳距离，然后算出P到三个锚节点的估计距离：P到P1距离为8.332=16.66，P到P2距离为8.331=8.33，P到P3距离为8.333=24.99。然后使用三边测量法就能确定节点P的位置。但该算法的应用环境必须是在各向同性的密集网络中。3.2.3 Amorphous定位算法定位过程是利用未知节点和邻居节点到某一锚节点最少跳数的平均值作为局部梯度(获得未知节点与锚节点间跳数的方法与DV-Hop算法相似)，然后用局部梯度和网络布线前已知的全网平均每
46、跳距离乘积作为到锚节点的估计距离，最后用最大似然法对估计距离进行求精处理。某个锚节点的局部梯度平均值Si可以由式（3-4）计算得到： （3-4）其中hi是节点i的梯度值，neighbors（i）表示节点i所有邻居节点。与DV-Hop不同的是，网络平均每跳距离HS是在网络部署前使用Kleinroek and SliVers方程离线计算的，它假设网络平均连通度navg己知，则网络平均每跳距离为： （3-5） 其中，navg=pr2，p=N/S,N一网络总节点数， S一网络区域面积，r一通信半径。然后用SiHS计算与每个锚节点距离，再估算自身位置。同样，Amorphous算法也受到网络节点密度和网络
47、拓扑的较大影响，而且该算法还需要在网络平均连通度已知的条件下实现节点的定位。3.2.4 MDSMAP定位算法MDSMAP定位算法是由密苏里哥伦比亚大学的YShang等人提出的一种集中式定位算法，他们将用于数据分析的MDS(multidimensional scaling)方法用在了传感器网络中。MDSMAP算法的主要思想由3部分组成：1首先构成网络拓扑连通图，为图中每条边赋予距离值，计算任意两个节点之间的距离，当节点配备了测距装置时，该值为实际测距值。如果节点只能获得连通性信息而不能测距时，所有边赋值为1。然后使用最短距离算法，计算任意两节点间的距离，从而生成整个网络节点的距离矩阵。2把由步骤1得到的节点距离矩