初稿第一章緒論

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(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）中微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)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(lǐng)域被大規(guī)模應(yīng)用。WSN 是將大量微型廉價的傳感器節(jié)點隨機(jī)散布到某個實驗區(qū)域內(nèi)，采用無線通信方式而形成的一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點協(xié)同的感知、和處理目標(biāo)對象的信息，并在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)用于家庭、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、軍事、環(huán)境、民防、健康和其它商業(yè)的領(lǐng)域里【Y-3,4】。商業(yè)以及MIT 技術(shù)評論認(rèn)為WSN 是 21 實際最具的二十一項技術(shù)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(luò)，與無線局域網(wǎng)、蜂窩移動網(wǎng)、無線自組藍(lán)牙、Wifi 等當(dāng)前其他常見的無線網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)充。因此，節(jié)省能量是設(shè)計WSN 時的關(guān)鍵目標(biāo)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(lǐng)域的半徑一般不會超過幾十米。網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(yán)峻之一。(4)節(jié)點數(shù)量多且有自適應(yīng)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(yīng)性和高容錯能力。(5)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強(qiáng)：WSN 中的觀察者、監(jiān)測對象和傳感器三個關(guān)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(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，三個關(guān)鍵的路徑也會隨之變化。(6)以數(shù)據(jù)為中心：WSN 的關(guān)鍵部分是感知數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為整個網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容，就需要在組建網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)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(luò)。沒有預(yù)先設(shè)定中心，節(jié)點故障不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，這使整個網(wǎng)絡(luò)具有較好的抗毀性和魯棒性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的技術(shù)，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(jié)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(luò)就無法正常工作。確定自身的地理位置是節(jié)點進(jìn)一步采取措施和做出決策的基礎(chǔ)，節(jié)點只有在了解自身的準(zhǔn)確位置后，才能監(jiān)測目標(biāo)的位置信息。事件發(fā)生之后，首要關(guān)心就是事件發(fā)生的位置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由于往往缺乏全局性的唯一標(biāo)識，一些傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)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】?！尽總鞲衅鞴?jié)點的在傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著作用，網(wǎng)絡(luò)中許多協(xié)事、環(huán)境監(jiān)測、公共安全、對傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持議或服務(wù)的實現(xiàn)都需要知道節(jié)點的位置。諸如搶險救災(zāi)、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多應(yīng)用場合里，均需節(jié)點迄

6、今為止，科研學(xué)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(shè)計出多種定位算法，能夠?qū)崿F(xiàn)相對精確的定位。但由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行改進(jìn)或者設(shè)計出更為有效的低功耗定位算法。【1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀【W(wǎng)SN 現(xiàn)狀】首次提出 WSN大約是在 20 世紀(jì)的 70 年代，到了 20 世紀(jì) 80-90年代，WSN 的研究重心集中在軍事方面，應(yīng)用的范圍也比較小，直到 20 世紀(jì) 90年代中后期，各界才對 WSN 進(jìn)行高度重視，投入大量人力物力進(jìn)行研究，使得WSN 的應(yīng)用日漸廣泛?！尽?998 年，國防部提出了“智能塵?！钡母拍?；

7、2002 年，英特爾公司發(fā)布了 “基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(luò)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(shù)(Information Communication Technology, ICT)基礎(chǔ)建設(shè)。在 eJap

8、an基礎(chǔ)上，隨后提出了 u-Japan 構(gòu)想；韓國在提出 u-Japan后也提出了屬于自己的u-Korea【Z-9】?！尽?999 年我國開始步入傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。如今，已獨自研發(fā)了以微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)傳感器為主、復(fù)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(shè)備，成功實現(xiàn)了各種 WSN 與原型樣機(jī)和 5 個系列的傳感器網(wǎng)絡(luò)端機(jī)網(wǎng)絡(luò)、公共網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)建立了、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(浙江)工程中心、無線傳

9、感器網(wǎng)絡(luò)(寧波)工程中心等，已逐步建立了產(chǎn)學(xué)研三級價值鏈【Z-10】。2006 年，中國電力科學(xué)緊隨國際技術(shù)研究和進(jìn)展，己經(jīng)把傳感器網(wǎng)絡(luò)列為“新農(nóng)村供電模式研究及綜合示范工程建設(shè)”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(shù)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(yīng)用研究【Z-11】?！爸袊?2050 年信息科技發(fā)展路線圖”第四章講解的就是構(gòu)建稱心如意的信息網(wǎng)絡(luò)中對物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)與路線圖【Z-12】。【定位現(xiàn)狀】作為一種全新的技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位機(jī)制與算法

10、包括兩部分：節(jié)點自身定位和外部目標(biāo)定位，前者是后者的基礎(chǔ)。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(shè)計目標(biāo)。而人工部署和為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝都會受到成本、功耗、擴(kuò)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(shè)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(luò)自身定位問題研究的進(jìn)展十分可喜，取得了豐富的研究成果。特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)后，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位問題有了許多新穎的解決方案和，許多技術(shù)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(yīng)用，它們在用于定位的物理現(xiàn)象，傳感器設(shè)備的組成，能量需求，基礎(chǔ)設(shè)施和時空的復(fù)雜性等許多方面不同?？偨Y(jié)來說，現(xiàn)行技術(shù)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(luò)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(fù)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(luò)的，對移動節(jié)點定位研究相對較少。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域提出越來越多需要解決認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)的仿真技術(shù)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)?；虺笠?guī)模網(wǎng)絡(luò)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(luò)環(huán)境下具有自調(diào)整性的定位算法的實現(xiàn)?！就魺?.3 本文研究工作本文對基于WSN 應(yīng)用層非測距定位算法進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)以及定位的基本原理；并深入分析了當(dāng)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(jìn)的 DV-HOP 算法，并給出改進(jìn)算法與算法流程。最后，對改進(jìn)的算法進(jìn)行仿真實驗，給出實驗結(jié)果，并對實驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)、深入的分析及對比，證明改進(jìn)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(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述。介紹了已有定位算法的分類，并詳細(xì)描述了算法的性能評價標(biāo)準(zhǔn)及定位的基本原理。第三章：非測距定位算法研