無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術.doc

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術一、無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展及研究現(xiàn)狀1.1 無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一種多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，它是當前在國際上備受關注、涉及多學科、高度交叉、知識高度集成的前沿研究領域，綜合傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息(如光強、溫度、濕度、噪音、震動和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡最終發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網(wǎng)絡的3個要素。如果說Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過傳感器網(wǎng)絡直接感知客觀世界，從而極大地擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和人類認識世界的能力。無線傳感器網(wǎng)絡作為一項新興的技術，越來越受到國內(nèi)外學術界和工程界的關注，其在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、空間探索、智能家居、工業(yè)控制和其他商業(yè)應用領域展現(xiàn)出了廣闊的應用前景，被認為是將對21世紀產(chǎn)生巨大影響的技術之一。WSN的基木思想起源于20世紀70年代。1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大學成立了分布式傳感器網(wǎng)絡工作組;1980年，DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡項目(DSN)開啟了傳感器網(wǎng)絡研究的先河;20世紀80- 90年代，研究主要在軍事領域，成為網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的關鍵技術，拉開了無線傳感器網(wǎng)絡研究的序幕;20世紀90年代中后期，WSN引起了學術界、軍界和工業(yè)界的廣泛關注，發(fā)展了現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡技術。無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)的萌芽，最早可以追溯到20世紀60年代的戰(zhàn)爭中。在20世紀80年代至90年代之問，無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)在歐美得到發(fā)展，美國更多地將其用于軍事方面。從21世紀開始至今，逐步進入現(xiàn)代意義上的無線傳感網(wǎng)研究及其應用，專利就是從這時候開始逐年增加。雖然2008年的金融危機對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)影響最大，無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)卻是異軍突起，進入快速發(fā)展階段。來自美國的一份調(diào)研報告顯示，2011年，世界市場無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)與服務市場價值46億美元，同比增長近15%。目前，各個發(fā)達國家都非常重視無線傳感器網(wǎng)絡技術的研發(fā)。具體來看，最早揭開現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)發(fā)展序幕的美國在通信協(xié)議、硬件設施和芯片技術等核心技術方面較為領先，日本和韓國則在應用方面走在前列。美國軍方最先開始無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究，包括CEC 、REM BASS、 TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、Sea Web等研究項目。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行無線傳感器網(wǎng)絡技術的研發(fā)。美國國家自然基金委員會(N SF)也開設了大量與其相關的項目。NSF于2003年制定了W SN研究計劃，每年撥款3 400萬美元支持相關研究項目，并在加州大學洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡研究中心。2005年對網(wǎng)絡技術和系統(tǒng)的研究計劃中，主要研究下一代高可靠、安全的可擴展的網(wǎng)絡、可編程的無線網(wǎng)絡及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡特性，資助金額達4 000萬美元。此外，美國交通部、能源部、美國國家航空航大局也相繼啟動了相關的研究項目。美國所有著名院校幾乎都有研究小組在從事W SN相關技術的研究，加拿大、英國、德國、芬蘭、日木和意大利等國家的研究機構也加入了WSN的研究。加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校、麻省理工學院、康奈爾大學、哈佛大學、卡耐基梅隆大學等在WSN研究領域成績較為突出。國際相關學術會議中對W SN的研討增多，檢索論文數(shù)目逐年以較大幅度增加。美國的Crossbow, Dust Network, Ember, Freescale等公司也開展了WSN的研究工作。加拿大、英國、德國、芬蘭、日木和意大利等國家的研究機構也加入了WSN的研究。歐盟第6個框架計劃將“信息社會技術”作為優(yōu)先發(fā)展領域之一。其中多處涉及對W SN的研究。啟動了EYES等研究計劃。日本總務省在2004年3月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡，調(diào)查研究會。韓國信息通信部制訂了信息技術839戰(zhàn)略，其中“3是指IT產(chǎn)業(yè)的三大基礎設施，即寬帶融合網(wǎng)絡、泛在傳感器網(wǎng)絡、卜一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。企業(yè)界，歐盟的Philips, Siemens, Ericsson, ZMD,France Telecom,Chipcon等公司;日木的NEC,OKI,Sky-leynetworks、世康、歐姆龍等公司都開展了WSN的研究。國內(nèi)首次正式啟動出現(xiàn)于1999年中國科學院知識創(chuàng)新工程點領域方向研究的“信息與自動化領域研究報告”中，該領域的五大重點項目之一。2001年中國科學院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領中科院WSN的相關工作。國家自然科學基金已經(jīng)審批了與WSN相關的一個重點課題和多項課題。2004年，將一項無線傳感器網(wǎng)絡項目(而上傳感器網(wǎng)絡的分布自治系統(tǒng)關鍵技術及協(xié)調(diào)控制理論列為重點研究項目。2005年，將網(wǎng)絡傳感器中的基礎理論和關鍵技術列入計劃。2006年將水下移動傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術列為重點研究項目。國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI)示范工程中，也部署了WSN相關的課題。在一份我國未來20年預見技術的調(diào)查報告中，信息領域157項技術課題中有7項與傳感器網(wǎng)絡直接相關。2006年初發(fā)布的國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術定義了3個前沿方向，其中2個與WSN的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網(wǎng)絡技術。我國2010年遠景規(guī)劃和“十一五”計劃中，將WSN列為重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。近年來，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)有為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡開始投入使用，而且應用領域越來越廣泛。在環(huán)境的監(jiān)測和保護方面，隨著人們對于環(huán)境問題的關注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。英特爾公司曾經(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來考察一種海燕巢的信息。無線傳感器網(wǎng)絡可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。在醫(yī)療護理方面，英國科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房問，使用微塵來測量居住者的血壓、脈搏、呼吸、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況。英特爾公司也推出了無線傳感器網(wǎng)絡的家庭護理技術，通過在鞋、家具以家用電器等家具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、特殊病患者以及殘障人士的日常生活，可以減輕護理人員的負擔。除了民用領域，無線傳感器網(wǎng)絡在西方國防領域的用途也很廣泛。西方已經(jīng)將無線傳感器部署到森林、山地、海洋，構建遠程信息化國防體系;部署在生物燃料時示器、仿生微型時示器、無人偵察機上的移動傳感器可為國防數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提供實時、大縱深、全角度偵察情報;同時也可應用在重要場所的狙擊手、偵察人員、偵控設備網(wǎng)絡。據(jù)美國媒體報道，美國國防部已投資數(shù)千萬美元，與研究機構合作進行“智能塵?！眰鞲衅骷夹g的研發(fā)，預計產(chǎn)品年銷售額將達數(shù)十億美元。在更多的領域，一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測;在交通領域進行車輛監(jiān)控;在工業(yè)白動化生產(chǎn)線進行實時監(jiān)測甚至控制。英特爾正在對其生產(chǎn)工廠中的一個無線網(wǎng)絡進行測試，該網(wǎng)絡由40臺機器上的210個傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運作條件，由于能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，可以大幅降低檢查設備的成本，縮短停機時問，提高效率，并延長設備的使用時問。1.2 網(wǎng)絡節(jié)點定位技術定位就是確定位置，定位技術是無線傳感器網(wǎng)絡重要的支撐技術。很多情況下，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點需要知道自身的物理位置，如果網(wǎng)絡不能提供相應的位置信息，那么傳感器的許多功能是毫無意義的。在無線傳感器網(wǎng)絡中，設置每個節(jié)點的位置是不可取的。并且，由于成本過高和配置條件的限制，為每個節(jié)點配置GPS接收機也是不現(xiàn)實的。因此對傳感器定位技術的研究是很有意義且是必不可少的。定位在實際應用中有兩種含義:一是確定自己在系統(tǒng)中的位置;二是確定目標在系統(tǒng)中的位置。自組織的網(wǎng)絡通過一定方法提供節(jié)點的位置信息，從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的定位。這種自組織網(wǎng)絡定位可分為節(jié)點自身定位和目標定位。在傳感器網(wǎng)絡中，沒有統(tǒng)一的最優(yōu)的定位算法，只有針對特定環(huán)境比較適合的定位算法。在特定環(huán)境中，某些算法的某些性能可能會優(yōu)于其他算法。因此，不同的環(huán)境會有不同的定位算法。近年來，隨著蜂窩網(wǎng)絡通信技術的迅速發(fā)展，對移動臺的定位需求也越來越迫切。在蜂窩網(wǎng)中，基于移動臺位置信息的服務，如車輛和交通管理、公共安全服務、網(wǎng)絡規(guī)劃與設計、資源管理等，都需要對移動臺的精確定位。根據(jù)進行定位的主體和利用的設備不同可將對移動臺的無線定位分為基于移動臺(終端)的定位、基于網(wǎng)絡的定位及GPS輔助定位三種類型。對于不同的無線定位系統(tǒng)，測量的參數(shù)固然不同，實現(xiàn)定位的方法與技術也各異，但從原理上來講，無線定位機制一般由以下三個步驟組成：第一步，對無線電信號的一個或幾個電參量(振幅、頻率、相位、傳播時間)進行測量，根據(jù)電波的傳播特性把測量的電參量轉(zhuǎn)換為距離、距離差或到達角等，用來表示位置關系;第二步，運用各種算法或技術來實現(xiàn)空間位置估計;第三步，對估計值進行優(yōu)化。傳感器網(wǎng)絡中的定位也是通過已知信息解算未知點坐標，在理論和實現(xiàn)方式上與傳統(tǒng)的定位技術有著一定的相似性，只是離散的分布式協(xié)同網(wǎng)絡特性賦予了傳感器網(wǎng)絡定位跟蹤獨特的技術內(nèi)涵。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的定位是傳感器網(wǎng)絡最基本的功能之一，對傳感器網(wǎng)絡的應用起著關鍵的作用。大量的無線傳感器節(jié)點的組織成分布式可協(xié)作的網(wǎng)絡，被應用在人類無法到達的但又需連續(xù)監(jiān)控的地方，如敵對環(huán)境中、偏僻危險的區(qū)域等，進行環(huán)境監(jiān)控和目標跟蹤。然而，無線傳感器網(wǎng)絡中的定位技術是很據(jù)挑戰(zhàn)性的。由于傳感器節(jié)點在大小、外觀及構造費用上的限制，用GPS進行節(jié)點定位造價太高，而且GPS的應用受衛(wèi)星信號限制。目前很多研究者提出了定位的方法，都是針對低成本、高精度、簡單易行的要求設計的，但由于硬件技術和算法的局限性，定位精度和定位效率很難滿足應用要求。傳感器節(jié)點定位采用較多的方法是參考節(jié)點法，即在傳感器網(wǎng)絡中布置好一定數(shù)量的己知自身位置的節(jié)點作為其它未知節(jié)點的參考。這種方法在較高的參考節(jié)點密度的情況下，能夠獲得較好的位置估算精度。但必須存在大量的參考節(jié)點的要求限制了它的應用范圍，并且為計算未知節(jié)點坐標，其必須接收到至少3個參考節(jié)點的定位信息，這在通信質(zhì)量不穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡中不是時時都可滿足的。定位計算可采用分布式和集中式兩種：(1)集中定位技術集中定位技術指傳感器節(jié)點都將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€中心位置，在這里執(zhí)行計算來決定每個節(jié)點的位置。Doherty Piste:和Ghaoui提出一種集中定位技術，使用凸形最優(yōu)化算法估計位置。由于通信費用高和固有的延遲，這種技術所要求的集中計算不適合移動應用環(huán)境，因此我們致力于分布式定位技術的研究。(2)分布式定位技術分布式定位技術不要求集中式計算，每個節(jié)點只需依靠與臨近節(jié)點的有限通信就可決定自己的位置。根據(jù)位置估測機制的不同，我們又將分布式定位技術分成兩類：距離相關(Range- based)定位和距離無關(Range- free)定位。Range- based定位機制根據(jù)點到點的絕對距離或角度來估計位置，所采用的測距技術，大都依賴于多種通信源、精確的時鐘和通信設備間的角度推導，這些都需要復雜的硬件來實現(xiàn)。對于傳感器節(jié)點而言成木太高，消耗電能也太多。為了克服Range- based定位機制存在的問題，近年來提出了Range-free定位機制，其目標是在不需要復雜的定位硬件情況下能夠提供足夠精度的位置估計。它是利用鄰近信息和連通信息來實現(xiàn)定位。該技術比較適合于傳感器網(wǎng)絡。研究者們針對不同的環(huán)境要求等提出各種各樣的解決方案，在相對的條件下很多都能達到較好的效果，但真正的應用還很少。因此，該領域還有待更多的人去研究，以設計更好的定位算法，使傳感器網(wǎng)絡定位在實際生活中得到廣泛的應用。為了適應目前的器件水平，無線但感器網(wǎng)絡還需要更低能耗、更高效的節(jié)點定位技術。目前，有關該領域的研究主要集中在以下方向:(1)低成本、高能效、高精度的距離或角度測量技術。(2)為盡量延長網(wǎng)絡生存周期的低復雜度、低開銷、低能耗的節(jié)點定位算法。(3)適用于大規(guī)模或超大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的低成本節(jié)點定位技術。另外，已提出的節(jié)點定位算法研究成果大部分是基于靜態(tài)網(wǎng)絡的，對移動節(jié)點定位技術研究相對較少，適用于網(wǎng)絡拓撲結構處于動態(tài)變化時的節(jié)點的定位技術還有待研究。二、節(jié)點定位技術WSN節(jié)點定位問題可表述為:依靠有限的位置已知節(jié)點，確定布設區(qū)中其它節(jié)點的位置，在傳感器節(jié)點間建立起一定的空間關系。根據(jù)節(jié)點是否已知自身位置，傳感器節(jié)點可分為信標節(jié)點(beaoon node)和未知節(jié)點(unknown node)。信標節(jié)點也可稱為錨節(jié)點(anchor node)或參考節(jié)點(reference node)，它在網(wǎng)絡節(jié)點中所占的比例很小，可以通過攜帶GPS定位設備等手段獲得自身的精確位置，然后做為未知節(jié)點的參考點。除了信標節(jié)點外，其他的傳感器節(jié)點就是未知節(jié)點，它們通過信標節(jié)點的位置信息來確定自身位置。根據(jù)定位過程中是否需要測量節(jié)點間的實際距離，將定位系統(tǒng)分為(1)基于距離的定位算法;(2)無需測距的定位算法?；诰嚯x的定位算法需要測量節(jié)點間的距離或角度信息，然后使用三邊測量、三角測量或者最大似然估計定位算法實現(xiàn)節(jié)點間定位。而無需測距定位技術則不需要距離和角度信息，通過網(wǎng)絡連通度、節(jié)點間相對距離等信息即可實現(xiàn)?；诰嚯x的定位普遍采用的技術有RSSI, TOA, TDOA和AOAO在RSSI定位中，需已知發(fā)射節(jié)點的信號強度，接收節(jié)點依據(jù)接收到的信號強度，計算出信號傳播損耗，并將信號傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，目前常采用理論和經(jīng)驗兩種模型，最后依據(jù)己有的技術算出節(jié)點位置。這種方法節(jié)省費用，不用提前建立數(shù)據(jù)庫，基站移動后也無需重新計算參數(shù)，但可能會有50%誤差。(1)TOA定位機制需己知信號傳播速度，通過信號傳播時間計算節(jié)點間距離，最后采用已有算法計算節(jié)點的位置。與RSSI算法相較，該算法定位精度高，但需要節(jié)點間保持準確的時間同步，對傳感器節(jié)點的硬件和功耗要求較高。該技術不適合松散藕合型定位。在TDOA定位機制中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)送兩種無線信號，這兩種發(fā)射信號傳播速度應有所不同，接收節(jié)點依據(jù)這兩種信號到達的時間差及兩種信號的傳播速度，通過己有的基本的定位算法計算出節(jié)點位置。在WSN中通常使用距離為20到30英尺左右的超聲波，而超聲波傳播距離有限，這樣就需要對網(wǎng)絡密集部署。由于NLOS問題會影響超聲波信號的傳播，TDOA技術會受到限制，但該技術的測距誤差比較小，精度也比較高。在AOA定位機制中，接收節(jié)點通過很多個超聲波接收機或者天線陣列，從而感知得到發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，根據(jù)計算出的接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點間相對方位或角度，使用三角測量法獲得節(jié)點的位置。AOA技術不僅能確定節(jié)點的坐標，并且還能提供節(jié)點方位信息。但是該算法容易受外界的影響，并且需要額外的硬件，其硬件尺寸、功耗等因素使得該技術不太適用大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡。隨著對基于測距定位技術的深入研究，雖然通過采用多次測量，循環(huán)定位求精等各種方法可以在一定程度上減小定位的測距誤差，但是增加了大量的計算和通信開銷。綜上所述可知，雖然在定位精度上基于距離的定位技術有可取之處，但在低功耗、低成本的應用領域，該技術還是有一定的局限性的。 雖然基于距離的定位技術能實現(xiàn)精確的定位，但通常對節(jié)點硬件要求高，考慮到硬件成本、功耗等問題，人們提出了無需測距的定位技術。雖然無需測距的定位技術誤差相較會有所增加，但因其無需測量節(jié)點間的絕對距離和方位，對節(jié)點硬件的要求有所降低，減少了節(jié)點的成本和功耗，且粗粒度的定位對大多數(shù)的應用己足夠(節(jié)點的定位誤差在傳感器節(jié)點通信半徑40%以內(nèi)，定位誤差對路由性能中目標追蹤的精確度的影響很小)，基于以上原因，無需測距的定位技術越來越受到人們的關注。DV-Hop , Amorphous ,APIT、質(zhì)心算法、凸規(guī)劃和MDS-MAP等都是典型的無需測距定位技術，其中MDS-MAP也能夠在基于測距的條件下達到更加精確的定位。由于位置與距離同單位，即位置為二維或三維的距離組合，又因為空間邊角信息可相互轉(zhuǎn)換，所以不論用何種方法獲取何種解算數(shù)據(jù)，最終都要轉(zhuǎn)換為邊角信息來求解空間位置?？臻g位置的解算方法一般有三邊定位法、三角定位法、邊角定位法、極大似然估計法、質(zhì)心定位法，如圖1所示。圖1 空間位置的解算方法2.1三邊定位法如圖2所示，已知A、B、C三個節(jié)點的坐標分別為（xa,ya）、（xb,yb）、（xc,yc），以及它們到未知節(jié)點D（x,y）的距離分別為da, db, dc ,則存在下式關系：（x-xa）2+（y-ya）2=da（x-xb）2+（y-yb）2=db（x-xc）2+（y-yc）2=dc解之得D點的坐標：xy=2xa-xc 2ya-yc2xb-xc 2yb-yc-1xa2-x