无线传感器网络单元定位算法研究与实现毕业论文

无线传感器网络单元定位算法研究与实现毕

业论文

绪论

1.1 选题背景和研究意义

微电子、无线通讯与计算机技术的发展，促使低能耗多用途传感器被广泛运用在各个领域。无线传感器网络[1](Wireless Sensor Network，WSN)由许多小、价格低的传感器节点构成，它们被撒播在监测围中，利用无线通讯自组织成为具有多跳的系统。WSN能够感应、获取监测围的数据，之后把这些感兴趣的数据传递给监测人员。传感技术的任务是获取数据，通讯技术的任务是传递数据，计算机技术的任务是处理数据。在真实的运用环境中，获取数据会遇到以下难题:不容易布置线路、获取信息的面积大。

在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义对于这些问题，传感器节点必须首先知道自身的地理位置信息，这是进一步采取措施和做出决策的基础。

定位信息除用做报告事件发生的地点外，还具有下列用途:目标跟踪实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹;协助路由，为网络提供命名空间，如直接用节点位置信息进行数据传递的地理路由一协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖隋况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施，实现网络负载均衡以及网络拓扑的自配置，等等。因此在传感器网络中，传感器节点的精确、快速定位对各种应用有着重要的作用。

WSN在国防军事、环境监控、灾害预测等多个领域被广泛运用。在WSN 中，若有某几个节点被蓄谋攻击致使不能使用，这将不可能使网络整体瘫痪。如果我们认为互联网组建了虚拟世界，使人们的通讯方式发生了变化，则WSN便融合了虚拟世界与现实世界，这无疑使人和自然的交流发生了变化。

这会让我们现在的生活发生翻天覆地的变化。

一般情况下，我们会认为采用GPS(Global Positioning System)来确定节点的坐标。但在WSN中，并不完全适合使用GPS进行定位，具体理由如下:首先，传感器(sensor)节点[2]使用电池供电(2节五号电池)，其能量受限，并不能及时更换电池来维持能量。因为GPS消耗能量特别大，所以不适合给每个传感器节点都配置能耗较大的GPS设备。其次，WSN的工作环境特别复杂，不能一定使接收仪器与卫星之间可以无阻碍的进行通讯。在没有阻碍物的情况下，GPS设备才能够正常工作。再次，传感器节点的体积较小，然而GPS设备增大了传感器节点的体积，不符合WSN中传感器节点小的特性。最后，WSN中的传感器节点被大量分布在监测围，数量达到了几千乃至上万个。用GPS定位使得成本增大，不符合WSN的价格低廉性。

由于监测是一个长期与漫长的过程，一般情况下，监测围的环境都比较恶劣，监测人员不容易抵达这些区域，故不能及时给传感器节点补充能量。又因传感器节点具有以下特性:能量受限、通讯能力受限、密集且随机分布，故节省能耗和效率高是实现WSN节点定位技术需要考虑的第一因素。考虑到传感器节点在能量、体积、环境、价格等方面的一些要素，可知GPS不完全适用于WSN。这就要求我们必须设计出适合在WSN中使用的节点定位算法。

1.2 国外研究现状

国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络实用和研发项目有遥控战场传感器系统[2]（Remote Battlefield Sensor System，简称REMBASS --伦巴斯）、网络中心战[2]（NCW）及灵巧传感器网络[2]（SSW）、智能尘[2]（smart dust）、Intel ®Mote、Smart-Its项目、行为习性监控[2]（Habitat Monitoring）项目等。尤其是今年最新试制成功的低成本美军“狼群”地面无线传感器网络标志着电子战领域战术的最新突破。俄亥俄州正在开发“沙地直线”（A Line in the Sand）无线传感器网络系统。这个系统能够散射电子网（tripwires）到任何地方。民用方面，美日等发达国家在对该技术不断研发的基础上在多领域进行了应用。

对于国的研究现状。清华大学、中国科技大学、大学、华中科技大学、

天津大学、南开大学、北京邮电大学、东北大学、西北工业大学、西南交通大学、理工大学和上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列。但是我国的关于无线传感器网络的研究仍旧处于起步阶段。1.3 研究前景

WSN是新出现的传感器网络，它的发展与运用给人们生活与生产中不同领域都产生了有意义的影响。无基本设备支撑的无线自组织网，其具有以下特性:多跳、自组织与可重构。这类网络的拓扑结构与信道环境都会因节点走动而动态变换。它能够为普通领域的运用与国防军事领域的运用迅速搭设通讯环境。

未来移动通讯网[3]不仅能使数据进行传递，而且还要求在无专用通讯基本设备的情况下，应该具备以下特性:自适应能力与生存能力。因此，WSN 与自组织网，能够对其发展起到促进作用。小型传感器节点具备感知、计算与通讯能力，在监测围撒播的这些传感器节点构成了WSN。任意一个传感器节点至少装一类感知器(声、红外线或磁感应器等)。监测围的所有传感器节点之间，都通过特定协议进行传递与获取数据，最终定位并跟踪对象。通讯、嵌入式与传感器这3项技术的逐渐成熟，使得WSN快速发展。这使得学者与专业研究人员高度重视WSN。在国防军事、环境监控、医疗护理等众多领域，WSN都被广泛运用。

在WSN中，获取位置是其监测对象的重要任务，知道事件准确发生地是整个监测活动的重要环节。传感器节点一般被随机撒播在监测围，例如它们被撒播在监测生态环境、火灾现场等场所，这些传感器节点并不清楚自己的位置，故要求传感器节点一旦被分布，就应该可以快速自定位。除了这些描述，定位技术还具有别的功能:网络管理、改善路由、目标跟踪等。

对于网络管理，获取的传感器节点数据被用来构造拓扑结构图，为了及时知道网络的涵盖围，使得节点不太多的地方可以快速采取相应挽救措施。节点坐标数据还有一个特别功能，就是用来辅助实现路由。在知道任意一个节点与其周边节点的坐标后，网络才可以达到改善路由的目的。优化路由的