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1、摘要随着科学技术的不断发展，信息处理越来越受到人们的重视，从当前的发展来看，无线传感器网络(Wireless Sensor Network ，WSN)已经成为技术主力，其技术性能优越，在技术内容上包括了四种技术，一是传感器技术，二是嵌入式技术，三是电子技术，四无线电技术。在应用领域上较为广泛，囊括了卫生医疗、精细农业、检测环境、国防科技等众多行业，在运用过程中，其主要用于检测和追踪。在节点定位上，是主要应用之一，同时，节点定位也是实现目标跟踪、检测、识别的关键环节。在研究上，学者们针对WSN自组织网络的，其关注点集中在Range-free定位技术，其相比其他技术，成本更加低廉、硬件设备更加简单
2、。所以，在此篇论文中，笔者重点研究了此类定位算法，对无线传感器网络中的节点定位技术做了细致、详尽的分析与研究。在论文的写作过程中，笔者首先介绍了无线传感器网络的研究背景、目前发展情况以及对于该项技术的制约影响因素等，着重解读了系统性能评定标准，主要从网络的结构、特点、原理等方面进行了阐述；同时，对于现行的WSN定位算法进行了分析，研究、分析了几种方法优劣特点；并且，作者重点关注了DV-Hop定位算法，在运用实际中，因为其平均每跳距离精度不高，从而导致在定位过程中，定位精度不高，研究出了一种改进方法，同时将定位方法放置与MATLAB仿真环境中，经过计算，此类算法要优于原来算法，最后，笔者对论文进
3、行了系统总结，同时，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 def
4、ense science and technology, environmental monitoring, space 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 network
5、s,is the premise to achieve object recognition, monitoring 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 advantageo
6、us than Range-Based Localization. People have paid more attention 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 sum
7、marized the architecture of wireless sensor networks, characteristics, 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
8、 that, I analyzed the DV-Hop localization algorithm in Range-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，th
9、e fliturc work was prospected based on the results of the wireless sensor network development.Keywords：wireless sensor networks, Range-free Localization algorithm, DV-Hop algorithm第1章 前言1.1 研究背景从规模上来说，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)规模较大，在结构的组成上，其主要是由传感器节点构成的。与Ad Hoc网络相比，在组网的方式上，两者具有一定的相似性。由于近年来
10、电子信息技术不断发展，尤其是微机电系统、数字电子技术以及无线通讯技术的发展，对于信息的处理与获取得到了进一步地优化，无线传感器网络实现了多种技术的有机融合，包括了传感器技术、通信技术以及嵌入式计算技术等，现如今，其已经成为了学者们研究和关注的重点之一。在现实运用中，想要实现信息化，就必须首先要对相关信息进行提取，如何进行信息的提取，关键就在于传感器。在无线传感器网络技术中，传感器是重中之重，其在运行中扮演了信息获取和信息传送的角色。在运用中，传感器工作主要参考的是节点的位置信息，因此，在信息监测的过程中，必须要包含相关的位置信息，而WSN就侧重于此类信息的监测，其主要包括了两种功能，一是对于某
11、件发生的时间进行定点，二是得出相关的位置信息。如今，Internet已经融入到了人们的日常工作、生活、学习之中，为我们提供了方便，并且在信息交换过程中意义重大，因此，WSN技术的广泛使用，必将给人们的生活带来翻天覆地的变化。从上文中我们可以得出，无线传感器网络主要是由传感器所构成的，从传感器本身来说，其价格低廉、能源消耗较低，并且数量较多，虽然其在通信过程中只在小的范围内进行工作，但是由于数量上的优势，在不同的节点上相互作用，从而形成了一个信号传送大的目标网络。所以，正是由于这类小的、价格低廉的传感器，才使得无线传感器得以迅速发展。无线传感器是一种新兴技术，其自身构建了服务网络，在信息获取、处
12、理等环节，相互协调，对于对象的信息处置能力较强。随着无线传感器技术越来越成熟，其被广泛地使用在各行各业，如：职能家具、军事航空、环境监测、安全监控、医疗护理等等。在技术原理上，其主要是通过分析对象的位置信息，从而对对象进行跟踪、监测、定位等，一旦其无法获得节点的位置信息，那么这些功能将全部消失，一无用处。所以，在无线传感器的研究过程中，首先要实现对网络节点的定位，想要实现此目的，我们就要通过相关的算法和运算机制进行明确。当前，能够实现定位已经不是技术难题，很多的系统都可以做到，应用最广泛的就是美国GPS定位系统。在实现传感器节点定位中，我们可以为每个传感器装备GPS，但是这种做法，成本高昂，并
13、不可取；并且，在运用中需要大量的传感器，在区域分布上实现随机分布，在传播上需要通过飞机或者其他辅助工具进行，因此，其对于每个节点的能耗以及后期维护要求较高；同时，GPS也有一定的使用限制，其在室内的使用中信号受到限制，在条件恶劣的环境中无法使用等等。正是由于以上几点原因，在传感器的选择上，GPS并不适用，因此，如何对节点进行定位，是无线传感器网络的研究重点。志刚下面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无线传感器应用的范围非常广，特别是在国防技术方面应用的比较多。西方发达国家对于无线传感技术研究得比较早，经过较长时间的研究，对于无线传感技术发展积累了非常有价值的经验。
14、美国早在80年代已经开始重视无线传感技术的研究，并将无线传感技术应用到了军事项目方面，为美国军事技术水平的发展提升注入了新的活力。美国在90年代时期，相关的大学就开始有意向的进行制订发展技术，并向美国国防部出具了申请计划书。具有代表性的是美国加州大学的一个教授专门撰写了一部研究发展计划书，对无线传感技术进行了详细论述，并就无线传感技术在美国各个领域的应用进行了较为详细的阐述和推广，在美国国内引起了很大的反响，同时还引起了国际社会的关注。美国当年的在比较有权威的刊物上刊登了传感器走向无线时代一文，这篇论述文章就无线传感技术的应用作了比较详尽的阐述，特别将无线传感技术誉为最为先进的技术，再次引起了
15、美国国内及国际社会的关注。我们通过对无线传感技术的发展历史进行全面研究，发现无线传感技术发展实际可以划分大的四个阶段，每个阶段无线传感技术发展都具有着不同的时代特点，也代表着其与当时整体技术水平发展的基本状况，同时也反映了其在当时应用领域的一个基本概况。第一阶段是一个初始发展水平。无线传感技术是刚刚起步发展状态，其发展水平还处于一个比较低水平，仅仅只能监控到点到点的信息资源，其他的信息受到技术水平的限制无法监控到。第二个阶段是监控点增多的阶段，就是利用无线传感技术可以监控到更多点的信息资源，但还是局限于线路端口必须要与无线传感器进行链接情况下才能实现。第三阶段是无线传感技术水平提升的阶段。通过
16、无线传感技术可以监控到一定区域的信息资源，但这个区域是受到一定的限制的，扩展程度是一定，在该区域之外的信息资源不能监控。第四个阶段是无线传感技术全面推广和覆盖。1.2.2无线传感器网络的应用我们国家对于无线传感技术研究比较迟，与西方发达国家相比在技术水平方面还有着较大的差距，由于受到众多技术的限制，很多的领域在技术应用方面很难突破，目前国内的无线传感技术的应用主要形式为红外线传感、热能传感、雷达传感等等，这些技术应用必须要有网络接口和无线传感网络相连接才可以实现。我们通过大量实验研究发现，在利用无线传感技术进行信息监控时，必须在一定区域设置信号节点进行链接，比如红外线节点、热能节点以及磁场的节
17、点等等，都要有预先的节点设置才可以达到监控的目的。但是如果没有预先设置信号源节点，就不可能实现监控。无线传感技术的应用对于网络的升级具有着很大的作用，扩大网络覆盖面，同时还可以推广到其他行业中，特别是可以为特种危险行业提供监控服务。我们国家目前开发的无线传感技术还是存在较大局限性，并没有能够在所有行业中得到推广和应用。1.环境监测及生态保护我们国家地大物博，幅员辽阔，人口密度相当大，但是同时我国区域性地理环境变化多端，自然灾害频发是一个常态问题，加上国内工业发展迅猛，生态环境破坏严重，已经引起社会各界的关注。多年来，生态环境破坏面积进一步扩展，受到各方面技术的限制，中央及地方各级政府很难监控到
18、生态环境变化，更是难以及时采取措施加以控制和维护。面对生态环境的破坏，如何解决这样迫在眉睫的问题，是当前的首要任务。此时采取无线传感技术进行实时监控，是非常适用的。无线传感技术可以对一定区域生态环境进行全面监控，达到预警和预防。我们国家对于水源质量问题也是非常重视的，一直以来由于因为技术水平的局限，对于水源的监测难以达到最佳效果，现在采用了无线传感技术，对于水源监测问题得到有效实施，可以实行全天候进行了监测，包括对水源的质量变化情况和外部环境的影响因素等等。2.国防领域当前，国际及国内形势纷纭变化多端，对于军事信息技术要求越来越高，能够及时掌握到军事信息，是保证军事行动取得成功的重要保障。这就
19、要求军事上必须采取相应的技术来实施对对方监控并获取信息，同时根据获得的信息进行研判采取相应的军事行动，无线传感技术正是解决这种问题的最佳手段，可以利用安装有无线传感器的无人飞机进行监控，可以精准到对方的节点，获得信息。3.医疗健康目前，无线传感技术应用领域是非常广泛的，特别是在医疗卫生领域所发挥的作用是非常之大的。要建立城乡一体化的医疗卫生服务体系，就必须实现医疗信息资源共享，公共服务资源共享。传统的医疗服务主要是患者通过到医院就医，医生实行面对面、一对一的进行确诊，患者就医必须要有医院这样载体和实体才能实现。而在利用无线传感技术之后，就真正改变了这种现状，无需再通过医院实体就行就诊，只要在安
20、装一个无线传感器，设置节点，实时对患者进行监控，通过远程病理进行确诊就可以实现。无线传感技术的推广，可以实现跨医院，跨省开展医疗就诊服务，这样在很大程度上解决了医疗卫生优质资源不均衡的现象，同时为实现无界限医疗服务体系奠定了基础。无线传感技术的应用还为各级政府开展公共卫生安全提供了有力保障措施，主要办法就是利用无线传感技术对养老机构、医院、学校等等重要地段实施监控，及时掌握困难群众的医疗困难群体性问题，给予弱势群体及时帮助。4.工程领域我们国家自从全面实施改革开放后，经济发展速度是相当快的，各种经济形态不断涌现出来，国内工业发展不断壮大，这就形成了许多的工程项目需要实施，工程建设的安全问题是相
21、当重要的，那么如何才能解决对工程建设项目安全的监控问题，是工程项目建设能够顺利实施的重要保障。目前，国内主要是通过无线传感技术来实施解决这种问题，具体的措施就是将无线传感信号节点安装到工程项目的建筑物、管道以及各类建筑配套设施上，无线传感器会实施全程监控，可以实现对工程建设的各类信息进行及时反馈，达到预防安全事故发生的目的。我们知道早在国家建设三峡工程、大型场馆、杭州大桥等等国家大型建设工程时，为了能够及时掌控这些大型建筑项目的进展情况及工程实施中的安全问题，就是采用了无线传感技术，在很大程度上对工程实施过程中涉及的文化遗址、生态环境保护起了很好的效果。我们国家一个文明古国，对于文物的保护是非
22、常重视的，对于文物的保护要求也是相当高的，其中特别是温度、湿度、光照度、外部的压力因素等等。我们采用了无线传感技术之后，可以预先在文物上安装无线传感节点，利用无线传感技术进行全面监控，如在信息反馈其温度不适宜，就可以及时安排进行调整，发现其湿度不适宜，就要组织人员及时将文物转移到文物收藏规定地点保护等等。未来，我们国家将和俄罗斯进行合作，建设输油管道，到时只要将无线传感器的节点安装到重要部位，就可以实现对建设项目的科学监控。5.未知空间的探寻辽阔的海洋、浩瀚的宇宙、深邃的地下世界，都是人类已知期望探索的地方，人们通过机器人、无人机等高端技术，实现对上述世界的探索，也通过对这些区域，设置传感器，
23、来实现对上述地方的监测。6.其他领域使用除了上述高端区域的探索，无线传感器技术，还广泛应用于社会经济生活中，比如工业生产、高端家居、物流、智能设备、智能防盗、交通领域等。这个技术的优点很明显，比如费用低、体积小、对外界的敏感度比较高，使用很方便。1.2.3 制约条件尽管无线传感器技术在各个领域的应用很普遍，但是，在普及的过程中，遇到的限制、阻碍情况也很多，主要在以下几点：1.成本原因：无线传感器的系统，存在非常大的节点，所以，降低每一个节点的成本，就可以有效降低整个系统的成本。2.能量提供：无线传感器，之所以能被广发的使用，因其具有自主和多元性的优势，但是，传感器的电源只能是一次性使用，所以，
24、在设计之前，必须选用能耗低的方案，才能确保系统的使用周期。3.通信存在的问题：信号传递的过程中，受到的干扰因素比较多，影响了信号的质量。所以，如何克服整个过程的干扰，也是目前研究的重点。4.定位功能：每个网络的范围、规模、节点的设置、数量都是不一样的，而且环境、硬件的情况也不同，所以，这些内因和外因的不同，获取的数据的精确度也是不同的。所以，减少误差，提高精准度，是目前主要研究的重点。5.硬件安全考虑：一般情况下，大多传感器的工作环境，比较差，比如深海、污染严重区域、极端天气环境、野生动物等，不同的环境下，对传感器的要求也是存在很大的差异。所以，要想准确的获取数据信息，必须提高硬件的质量与可靠
25、性，减少恶劣环境的干扰、破坏等。6.自组性：该网络系统中，对传感器的构成技术有很多种。在特定的环境下，节点是动态模式，从而给传感器的自组带来很大的干扰，这种情况造成的影响比较大。第2章 无线传感器网络定位问题概论2.1 无线传感器网络定位的简介2.1.1 基本介绍传感器网络，是目前比较先进的传输技术，其包含的技术组成非常复杂，主要经过微型传感器，完成对信息的收集、处理、传输、监测等任务。在该系统中，还使用了传感技术、通信技术、先进的处理技术等。在无线网络的发展阶段中，最关键的技术，就是节点位置数据的确定技术，这也是业内研究的重点。节点定位，就是通过网络中，已知位置的节点的相关信息数据，通过多种
26、测量手段，实现对未知点信息的收集处理。对网络中，节点信息的监测，可以获取已知节点的数据信息，但是，前提必须是，网络中节点的位置信息必须是可知。针对上述问题，必须对系统进行全面的监测，然后通过监测，实现传感器对信息的传递。最后通过多元化的定位算法，来计算出已经确认目标的相关具体位置信息。在整个系统中，获取监测信息的前提，就是确保节点自身信息的精准度。在网络中，放置节点的数量和位置，都是没有规律可循，一般情况下，都是随机放置。通过使用的办法，就是GPS方法。但是，如果每个节点的位置信息，都通过GPS定位来获取，其成本是昂贵的。而且，对体积、功能的消耗等因素要求也比较高，所以，未知节点的数据信息，主
27、要通过已知节点的数据来获得。.2 无线传感器网络体系结构及特点2.2.1 无线传感器网络结构图2-1，主要表示该网络的结构图。主要由系统中，所有的节点构成，这些节点按照一定的规律，分成传感器、聚集节点、管理这三类。网络中节点，主要经过自组模式来形成整个系统，主要通过对收集的信息进行单挑、多跳的模式，把信息传递给聚集节点。但是，在传输过程中，很多借贷受到的信息可能存在重复或则相同，从节约成本的角度分析，要把这些类似的信息进行处理，在传输给聚集点，然后通过网络，传递了系统的客户端。然后，客户将收集的信息，通过管理点，进行传递，从而实现对整个系统的管控。图2-1无线传感器网络的组成结构2.2.2 传
28、感器节点结构传感器节点，本质上属于微型控制系统，采用嵌入模式。有很多优势，比如费用低廉，体积比较小，还能进行无线通信。一个传感器，主要由数据收集部分、处理部分、通信部分、电源部分组成。数据收集部分，就是一个传感器，主要功能就是实现数据的收集，然后对收集的信息，进行转化，主要是进行数字转化；数据处理部分，主要含有存储器、微型处理设备，主要功能就是实现对数据的存储与处理，并实现对整个系统的管理。通信部分主要功能，就是实现节点之间的联系，实现消息的接受和散播。电源部分，就是给传感器提供所需的能源。基于节点自组性和多元性的分析，一般多是使用微型电源来提供能量。图2-2，传感器节点构成图2.2.3 传感
29、器网络协议栈图2-3，主要就是介绍了无限网络的结构图。主要由五个层面构成，一是物理层，处于最下端，主要进行数据的调制、处理；二是数据链部分。处于物理层上面，主要功能就是确保信息传输的畅通。三是网络层，处于中间层，主要功能就是实现数据的整理汇总。四是，应用层。主要根据监测的需要，完成开发的任务。第五是传输层，处于最上端，主要功能就是起到对数据的保护功能。上述几个层面的，主要经过三个层面的管理载体：一是能力载体；二是任务载体；三是移动载体。能力载体的主要功能就是，实现对能力的科学应用。移动载体的主要功能，就是实现对传感器的动态控制。任务载体，主要功能就是实现整个系统的监测功能。2.2.4 无线传感
30、器网络特征无线传感器网络，与目前使用的几种网络模式，相比，存在以下几种特征：1.供电续航功能不高，需要改进传感器中，相关节点所处的位置，并没有其他电源的存在，主要依靠自身的电源开展工作，但是传感器的体积比较小，所以其自身携带的能源量很少。传感器在投入使用后，不能再次回收，进行补充电源能量。所以，如果传感器的电源能量减弱，就会使得有效节点的数量减少，如果失效的节点太多，整个系统就不能正常工作。所以，整个系统必须提前考虑节能的要求。2.网络通信功能不强，需要改进使用传感器的网络能力，受外界因素的影响比较大，比如环境、天气等因素突变，就会影响整个网络的通信功能，甚至网络连通功能断断续续情况。而且，实
31、际中，节点之间的距离受限，通常使用路由器解决问题。所以，提高传感器的通信功能，降低外界因素对通信质量的影响，是以后研究的重点。3.网络节点的相关功能变得很繁杂传感器节点最重要的构成部分就是处理器、储存器，本质上属于微型器。这里的处理器，主要使用嵌入式。处理器、存储器能确保传感器的功能。提高处理器的工作能力和提高存储器的容量，就可以提升传感器的整个工作能力。4.大网络理论网络节点具有自身的特征，设计人员需要在网络中，设置比较多数量的传感器，这样获取的数据就是比较精准。传感器数量越多，获得的数据准确性就越多，也能有效减少系统中的盲区。5.网络动态性强在系统中，传感器、对象等都兼有动态的特征，使得整
32、个网络的拓扑构成就会随之变化，网络中也会增加新的传感器，也有传感器被替换。所以，网络自身必须具备比较强的自我调节性。6.抛弃式管理方式整个网络中，触发器的数量巨大，必须对这些触发器进行有效管理。而且，因为传感器的工作环境很大一部分都是人烟稀少的荒凉地区，整个环境比较差，传感器受天气因素影响比较大，还时常受到野外动物干扰。而且人工进行管理的模式不现实，所以，节点安装以后，基本处于放任的状态。所以，对传感器设备的质量要求很高。7.强大的感知数据量在区域内，设置的传感器的类别很多，获得物理信息也是多种多样的。如果对收集的信息，进行有效的分类和解决，对传感器的挑战很大。以往单一的传感器系统，已经不能满
33、足目前信息量的要求。2.3 无线传感器网络定位基本原理从传感器自身对数据的收集方式，可以对节点进行有效的归类，主要存在两类。第一，是通过人工操作，获取相关节点的位置数据，这种网络节点就是锚节点。就是不能确定位置信息，需要通过附近节点的信息来获取自身位置信息的节点，就是未知节点。这里附近节点，包括锚节点，也包括未知节点。但是这些节点必须在一定半径范围之内。在对未知节点位置数据获取过程中，使用的定位算法，各不相同，但是如果通过对附近节点位置信息的收集后，可以根据三边法等，来确定未知节点的数据。2.3.1 三边测量法三边测量法，其工作原理就是图2-4所示，通过图中可知，节点A表示为(xa，ya)、，
34、B表示为(xb，yb)、C的坐标表示为(xc，yc)，上述节点到点D的距离表述为da、db、dc，默认点D的坐标表示为（x，y)。则有方程表示如下 （2-1）由方程组（2-1）可以得出：2.3.2 三角测量法三角测量法,也就是常用的方位法。未知节点，在网络中，一般情况下，都有几种天线的存在，可以通过测量，获取锚节点散播电波的角度值，然后再测算出其他锚节点的角度值，然后搜索出未知节点与锚节点的交集点，然后，通过几何图形，来算出未知节点的定位情况。图2-5，就是整个三角法的原理过程。A、B表示锚节点，他们的坐标情况如下： (xa，ya)、(xb，yb)，默认D的坐标表示为(x，y)，并假定D已经获
35、取锚节点A，B散播信号的实际角度是1、2，那么就有： （2-2）对上述方程进行计算，可以得出D的定位坐标（x,y）2.3.3 极大似然估计法极大似然估计法，是目前比较常用的算法，就是图2-6，图中，节点1的坐标为(x1，y1)、节点2的坐标为(x2，y2)，节点3的坐标为(x3，y3)，节点N的坐标为(xn，yn)，上述节点与D的距离情况就是d1、d2.dn ,如果默认D的坐标表示为(x，y)。那么，就会得出下列式子： （2-4） 通过第1个方程式与最末一个方程式相减：（2-5）（2-5）的相关公式表示为： AX=b，其中： A= B= X=再通过最小均方差的计算方法，算出G的位置数据如下:无
36、限大的似然法，就是通过节点的定位数据，来完成对未知节点信息的收集，所以，与三边法进行比较，可以降低误差。2.4 无线传感器网络定位性能简介无线传感器在网络中的应用，对网络环境的要求比较高，必须在应用之前，对网络的性能进行测试。整个测试过程是否满足要求，对整个系统的运用来说，非常重要。以下是目前普遍采用的几种判定标准：1.对节点位置的准确性：就是空间环境中，目标的坐标数据与实际数据的吻合度。从无线传感器角度进行分析，其判定指标，就是节点的相关射程与差异值二者之间的比例值。数据精准性越高，说明二者的比值越大。在微软的相关操作系统中，通用的模式就是二维网格，网格越大，数据的精准性就越低。2.定位包含
37、的范围：在判定过程中，网络中节点数是判定的主要对象。定位的范围越大，被定位的数量超过未知节点的数量，数量越多越有优势。3.锚节点相关比值：目前，常用的锚节点的定位方法有两种，一是GPS；另外一个是人工操作。网络设置的环境对人工操作情况有着比较大的干扰，不利于网络的普及应用。GPS方法，需要比较大的成本，而一般节点的花费只有锚节点的10%左右，所以，网络中锚节点数量越多，系统的成本就越大。4.节点分布的密度：在整个网络中，通过传感器中相关的节点，来获取相关的信息。那么，节点越多，获取的信息量是否就越多。实际情况确实不同，节点数量超过一定范围，就会造成系统产生信息矛盾，使得整个网络受阻。一般情况下
38、，针对上述问题，采用网络中，连通均值来代替节点的数量。因此，节点的数量对位置数据的准确性有着长大的影响。5.容错性和自适应性：在确定整个网络之前，必须优先考虑整个监控条件情况。但是，一般情况下，假定系统中的节点设备性能都是完好的，而且，质量符合通信要求。但是，在实践中，受外部因素的干扰，系统中节点设备的质量会受到干扰。就会出现信号强度减弱，有盲区的存在，那么即使设备本身出现损失、系统环境的影响就会少。受到客观因素的制约，设备存在不能修复的情况，这就需要整个系统存在比较好的自适应性，来减少误差的影响，使得数据的准确性大幅度提高。6.能耗情况：如果整个系统的工作环境比较稳定，传感器在工作，就会消耗
39、比较大的瓦特数量，但是，节点设施的功能受限，受能耗影响比较大。处于正常工作状态下，能耗与整个网络中，数据的测算、存储等因素都存在比较紧密的联系。7.花费的代价：在无线传感器的系统中，需要占用很多成本；一是，时间成本，就是建立一个定位网络，需要花费的时间长度；二是空间成本，就是整个系统，对系统中，监控的设备、其他设施、所有的节点的必然要求。三是资金花费成本，就是完成一个整个的系统，需要花费的所有资金。随着无线传感器技术的进步，对网络功能的评定也会跟着不断变化，虽然，判定的标准只是局部的标准，但是，他们之间的影响是相互同时存在的。应该根据实际情况，选用科学的准则，要想获得理想的数据，还必须进行大量
40、复杂的技术。第3章 无线传感器网络定位归类3.1 Range-based 定位、Range-free定位Range-based技术定位，该技术需要获取节点实际距离信息。整个过程有三个步骤：第一，要对未知节点到网络中其他节点的距离值要进行测算；第二，通过其他算法，来测算出未知节点的定位信息；第三，通过上述获取的数据，存在缺陷，需要对数据进行优化，最大限度降低差值。Range-free定位，也是目前比较先进的技术。该算法对网络连接性的要求比较高。但是不需要像上一种定位算法，获取节点之间的距离等信息。该算法，主要由信号强度即RSSI、到达周期即TOA、时间差值即TOA、角度即AOA等信息构成。RSS
41、I就是表示信号强弱，通过信号强弱，测算出节点之间的距离值，但是，由受到通信方式的干扰，误差情况严重，甚至存在超过50%以上的误差。TOA对时间的要求很苛刻，所以，不适合所有节点的定位。TDOA，主要通过超声波技术来获取距离值，但是超声波的工作范围比较小，所以，网络中，超声波设备的数量要足够多。AOA在工作中，容易受到外界因素的干扰，所以，对传感器相关条件的要求比较严格。另外，为了有效降低误差对数据的干扰，所有通过测算获取的信息数据都存在误差，所以要进行优化处理，但是成本或者工作量就会增加，对能耗的要求也比较高。如果误差情况，低于通信范围的40%，那么，数据误差对于整个节点数据的精准度的干扰就很
42、小。如果从能耗、成本的角度进行分析，主要选用Range-free算法，不过，该算法得出的精准度较低。质心算法、DV-Hop、MDS-MAP等，都是目前普遍使用的算法。3.1.1 Range-free 定位技术Range-free定位技术，也是目前普遍采用的算法，该算法可以降低成本，不过，获得数据的精确性比较低，不过，获得的数据也能基本满足需要。质心算法，主要通过节点的范围内，不规则图形的质心，来获取未知节点的数据信息。通过未知节点的通信范围内的相关节点，组成一个多边形，这些边的最高点的坐标均值，就是质心的均值。例如，某顶点坐标表示如下：A(x1，Y1)；B(x2，Y2)；C(x3，Y3)；D(
43、x4，Y4)；E(x5，Y5)。那么质心的测算公式为：在该算法中，锚节点有规律性地，朝附近的节点散播信息，通过阀值的确立，如果未知节点获取的数据，已经比阀值数据还大，那么，这个质心就是未知节点的定位信息。其中，(Xi1，Yi1)（Xik，Yik）表示未知节点可以获取的相关锚节点坐标信息。质心算法，是目前比较容易的算法。但是这种算法，对无线信号的值 有一定的要求，是特定状态下的球形范围。与实际情况讯在很大的误差。3.2.2 DV-Hop定位算法DV-Hop算法，也是目前比较实用的一种算法。该算法本质上就是不规则的图形的测量，来获得相关数据，该过程主要有三个阶段。首先，通过矢量算法，计算出每副参照
44、点间的最低跳数，计算出每个参照点与未知节点间的最低跳数，然后，按照3-3函数方程，将上述几种跳数值带入式子中进行计算，可以获得跳数均值的距离情况： （3-3）式子中，（xi，yi）、（xj，yj）表示锚节点i、j的坐标数据，hj表示锚节点i与j间的跳数值，这里，i、j二者不能等值。然后，将获取的值进行优化后，散播到网络中。如果网络连通的状态良好，那么网络中的未知节点就会获取到每一个参照点的跳数均值。其通过与自己距离最小的参照点的跳数均值，如果收到的锚节点距离值，超过三个以上，就能通过三边计算法，来测算未知节点的位置数据。图3-1中，锚节点P1、P2，P3间的距离值、跳数情况都是已知。临近锚节点
45、间的跳数均值：P1：(20+40)/(3+5)=7.5，P2：（20+30)/(3+3)=8.33，P3：(30+40)/(3+5)=8.75，然后，通过网络，锚节点获得的跳数均值，散播到相邻节点，最后，未知节点P，就可以获得最低跳数均值。也就是P2相应的跳数均值，然后，测算出P点，到上述锚节点的预计值。P至P1值：8.332=16.66，P至P2大小值：8.331=8.33，P至P3大小值：8.333=24.99。然后，通过三边算法，就可以获得P的数据信息。不过，这一算法，对网络环境的要求比较高。3.2.3 Amorphous定位算法整个定位的确定步骤，就是通过未知节点和相邻节点，与锚节点最
46、低跳数的均值，来实现部分梯度的过程。而获取所需跳数算法，基本与DV-Hop算法一致。最后通过计算，获取锚节点的估计值，这里的计算方法，主要就是通过部分梯度值乘以全网跳数均值来获得。最后，通过最大似然法，对估计值进行优化。如果，锚节点的局部梯度值用Si表示，则通过式（3-4）可以计算得知： （3-4）式子中，hi就表示梯度值，neighbors（i），就表示节点的多有相邻节点的情况。但是，该算法与DV-Hop算法，存在一定的差异，网络跳数的均值为HS，主要通过Kleinroek and SliVers算法计算得知的，这一算法需要一个前提，就是网络连通度情况是提前确定的。这时，就可以获得跳数的均值
47、为： （3-5） 其中，navg=pr2，p=N/S,N表示整个网络节点总数， S表示整个网络范围值，r表示通信范围的半径值。通过公式SiHS测算出随机节点之间的距离情况，最后再对自己的定位进行预测。同样，Amorphous算法受到的约束条件比较多，比如网络中节点的数量、拓扑。而且，该算法对网络环境的要求比较高，只有网络连接符合要求，才能进行定位。3.2.4 MDSMAP定位算法MDSMAP定位算法，是目前比较先进的算法，主要是国外专家YShang等团队研发的一种算法。指导思想如下：就是将MDS算法，套用在了传感器的算法中。该算法的主要内容如下：1、首先，必须有一个网络拓扑图形，然后给图形中，任何一条边设定一个值，就可以测算