1、第一章 緒論1.1 本課題研究背景及意義【Y】/【W(wǎng)】/【H-】/【Z-】隨著無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）中微電子技術、無線通信技術、傳感器技術的超速發(fā)展，具有多功能、低開銷、高智能、高時效的傳感器也在不同領域被大規(guī)模應用。WSN 是將大量微型廉價的傳感器節(jié)點隨機散布到某個實驗區(qū)域內，采用無線通信方式而形成的一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，傳感器節(jié)點協(xié)同的感知、和處理目標對象的信息，并在網(wǎng)絡中處理發(fā)布到的數(shù)據(jù)，發(fā)送給觀察者，以實現(xiàn)對實驗區(qū)域的監(jiān)測，為觀察者的決策提供支持【W(wǎng)-3,4】。WSN 的節(jié)點可用于隨時監(jiān)測眾多的物理對象,包括溫度、聲音、濕度、電磁感應波、

2、重力、光照、運動形態(tài)、土壤成分、方向和速度等物理量【Y-1,2】，被廣泛地應用于家庭、農業(yè)、生態(tài)、軍事、環(huán)境、民防、健康和其它商業(yè)的領域里【Y-3,4】。商業(yè)以及MIT 技術評論認為WSN 是 21 實際最具的二十一項技術和改變世界的十大科技之一。WSN 是一種新型的智能無線網(wǎng)絡，與無線局域網(wǎng)、蜂窩移動網(wǎng)、無線自組藍牙、Wifi 等當前其他常見的無線網(wǎng)絡相比又有其自身的特點，具體如下【Y-5,6】：(1)節(jié)點體積小、資源有限：WSN點集成度高，體積小，但同時電池能量儲備低，且節(jié)點分布范圍廣、規(guī)模較大，能量不易補充。因此，節(jié)省能量是設計WSN 時的關鍵目標之一。(2)通信半徑小，帶寬較低：WSN

3、 的數(shù)據(jù)傳輸都不僅是利用一跳就可以實現(xiàn)低能耗的,因此其通信覆蓋領域的半徑一般不會超過幾十米。網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的流量比較小都是基于經(jīng)過節(jié)點處理后才達到的效果。(3)節(jié)點計算、水平有限： WSN點功耗較小，成本較低，這致使其計算能力較弱、空間有限。因此提高節(jié)點的資源利用率是 WSN 研究中的嚴峻之一。(4)節(jié)點數(shù)量多且有自適應能力：WSN在環(huán)境惡劣、位置偏僻的地方時，節(jié)點點分布密集且數(shù)量較多，若部署程度增加，甚至不可。因此，WSN 的通信協(xié)議必須具有可重組性、自適應性和高容錯能力。(5)網(wǎng)絡動態(tài)性強：WSN 中的觀察者、監(jiān)測對象和傳感器三個關鍵都存在可移動性，且常常存在已有節(jié)點“”或者新的節(jié)點

4、參與其中。網(wǎng)絡的拓撲結構產(chǎn)生變化，三個關鍵的路徑也會隨之變化。(6)以數(shù)據(jù)為中心：WSN 的關鍵部分是感知數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為整個網(wǎng)絡的內容，就需要在組建網(wǎng)絡的同時要把感知數(shù)據(jù)的處理和管理放在第一位，網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)庫技術要做到相互融合。(7)無中心和自組織：WSN 中的所有節(jié)點都是的，利用分布式的方法來互相平衡，可以在無的情況下自組織成網(wǎng)絡。沒有預先設定中心，節(jié)點故障不會導致網(wǎng)絡癱瘓，這使整個網(wǎng)絡具有較好的抗毀性和魯棒性。無線傳感器網(wǎng)絡作為一種新興的技術，為科技研究者提出了許多具有性的研究課題，確定節(jié)點的位置信息就是其中之一。位置信息是不可或缺的一部分，傳感器節(jié)點監(jiān)測事件所收集的數(shù)據(jù)如果沒有結合位置

5、信息，到的數(shù)據(jù)通常是毫無意義，離開了位置信息傳感器網(wǎng)絡就無法正常工作。確定自身的地理位置是節(jié)點進一步采取措施和做出決策的基礎，節(jié)點只有在了解自身的準確位置后，才能監(jiān)測目標的位置信息。事件發(fā)生之后，首要關心就是事件發(fā)生的位置。無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點由于往往缺乏全局性的唯一標識，一些傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議對數(shù)據(jù)進行選路時，通常利用傳感器節(jié)點的位置信息。因此，傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一就是確定獲取信息的節(jié)點位置【W(wǎng)-17】。【】傳感器節(jié)點的在傳感器網(wǎng)絡中發(fā)揮著作用，網(wǎng)絡中許多協(xié)事、環(huán)境監(jiān)測、公共安全、對傳感器網(wǎng)絡的支持議或服務的實現(xiàn)都需要知道節(jié)點的位置。諸如搶險救災、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多應用場合里，均需節(jié)點迄

6、今為止，科研學者們一直在致力于對定位算法的研究，實際上經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)設計出多種定位算法，能夠實現(xiàn)相對精確的定位。但由于無線傳感器網(wǎng)絡有花銷、能耗以及節(jié)點的通信、和計算能力等硬件的限制，因此必須對算】法進行改進或者設計出更為有效的低功耗定位算法。【1.2 國內外研究現(xiàn)狀【W(wǎng)SN 現(xiàn)狀】首次提出 WSN大約是在 20 世紀的 70 年代，到了 20 世紀 80-90年代，WSN 的研究重心集中在軍事方面，應用的范圍也比較小，直到 20 世紀 90年代中后期，各界才對 WSN 進行高度重視，投入大量人力物力進行研究，使得WSN 的應用日漸廣泛。【】1998 年，國防部提出了“智能塵埃”的概念；

7、2002 年，英特爾公司發(fā)布了 “基于微型傳感器網(wǎng)絡的新型計算發(fā)展規(guī)劃”；2008 年 11 月IBM 提出“智慧地球”概念；2009 年 1 月，路，同年 8 月，IBM 又發(fā)布了 “智慧地球贏公開肯定了IBM “智慧地球”思”計劃書【Z-8】。WSN 是“智慧地球”的技術之一。2009 年 9 月 15 日，歐盟發(fā)布了 “物聯(lián)網(wǎng)研究路線圖”，有涉及傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡的多個項目。在 2004 年就啟動了WSN 研究計劃，后來又提出 e-Japan，該希望能推動本國的整體信息通信技術(Information Communication Technology, ICT)基礎建設。在 eJap

8、an基礎上，隨后提出了 u-Japan 構想；韓國在提出 u-Japan后也提出了屬于自己的u-Korea【Z-9】。【】1999 年我國開始步入傳感器網(wǎng)絡領域。如今，已獨自研發(fā)了以微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)傳感器為主、復合多信息探測的小型化傳感器系列；研制出了 4 個系列的設備，成功實現(xiàn)了各種 WSN 與原型樣機和 5 個系列的傳感器網(wǎng)絡端機網(wǎng)絡、公共網(wǎng)絡的加密互聯(lián)、互通；完成了中國第一個具有知識的WSN協(xié)議的研制，為我國 WSN 的廣泛應用打下了堅實的基礎。同時，在傳感器網(wǎng)絡方面已經(jīng)建立了、無線傳感器網(wǎng)絡(浙江)工程中心、無線傳

9、感器網(wǎng)絡(寧波)工程中心等，已逐步建立了產(chǎn)學研三級價值鏈【Z-10】。2006 年，中國電力科學緊隨國際技術研究和進展，己經(jīng)把傳感器網(wǎng)絡列為“新農村供電模式研究及綜合示范工程建設”項目的能信息之一。依據(jù)需求，科研目前已先后展開了 WSN 技術在“電與管理”、“輸配電線路監(jiān)測”、“地埋電纜監(jiān)測”等方向的應用研究【Z-11】。“中國 2050 年信息科技發(fā)展路線圖”第四章講解的就是構建稱心如意的信息網(wǎng)絡中對物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展目標與路線圖【Z-12】。【定位現(xiàn)狀】作為一種全新的技術，無線傳感器網(wǎng)絡具有許多性的研究課題,而定位就是其中之一。定位是大多數(shù)應用的基礎。無線傳感器網(wǎng)絡中的定位機制與算法

10、包括兩部分：節(jié)點自身定位和外部目標定位，前者是后者的基礎。傳感器節(jié)點的微型化和有限的電池供電能力使其在節(jié)點硬件的選擇上受到很大限制，低功耗是其最主要的設計目標。而人工部署和為所有網(wǎng)絡節(jié)點安裝都會受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根GPS本無法實現(xiàn)，因此必須針對其密集性，節(jié)點的計算、特點設計有效的低功耗定位算法。和通信等能力都有限的近 10 年來，無線傳感器網(wǎng)絡自身定位問題研究的進展十分可喜，取得了豐富的研究成果。特別是進入 21 世紀后，對無線傳感器網(wǎng)絡自身定位問題有了許多新穎的解決方案和，許多技術方案都能夠解決無線傳感器的自身定位問題。但每一種系統(tǒng)和算法都是用來解決不同或

11、支持不同的應用，它們在用于定位的物理現(xiàn)象，傳感器設備的組成，能量需求，基礎設施和時空的復雜性等許多方面不同。總結來說，現(xiàn)行技術仍然存在著下列一些問題：缺乏更加有效精確的測距方法；大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡中的誤差累積問題；減少所有節(jié)點完成定位過程所需 時間；減少節(jié)點定位帶來的通訊開銷；傳感器節(jié)點有能量限制，需要研究在算法 復雜度與能量消耗之間的合理折衷；目前的研究成果大部分都是基于靜態(tài)網(wǎng)絡的，對移動節(jié)點定位研究相對較少。無線傳感器網(wǎng)絡定位算法的研究從總體上說尚處于一個起步的階段，已有的研究工作正在為該領域提出越來越多需要解決認為除了對定位算法本身的研究外，可能的熱點研究方向包括：（1）定位算法性能評

12、價的模型化和量化；（2）建立標準的仿真技術和仿真系統(tǒng)來模擬定位算法的實現(xiàn)；（3）由成千上萬節(jié)點組成的大規(guī)模或超大規(guī)模網(wǎng)絡自身定位問題的低成本(時空、功耗、價格)和高精度的實現(xiàn)；（4）在移動網(wǎng)絡環(huán)境下具有自調整性的定位算法的實現(xiàn)。【汪煬】1.3 本文研究工作本文對基于WSN 應用層非測距定位算法進行了深入研究。首先，針對 WSN介紹了定位算法的分類、性能評價標準以及定位的基本原理；并深入分析了當前經(jīng)典的非測距定位算法。其次，根據(jù) DV-HOP 算法的誤差分析，提出改進的 DV-HOP 算法，并給出改進算法與算法流程。最后，對改進的算法進行仿真實驗，給出實驗結果，并對實驗結果進行詳細、深入的分析及對比，證明改進的算法可以提高節(jié)點定位精度 3%。本文由五章組成：第一章：緒論。介紹了本文的課題研究背景與意義，相關國內外研究現(xiàn)狀。第二章：無線傳感器網(wǎng)絡概述。介紹了已有定位算法的分類，并詳細描述了算法的性能評價標準及定位的基本原理。第三章：非測距定位算法研