无线传感器网络定位技术研究.doc

无线传感器网络定位技术研究1引言 传感器节点自身定位就是根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定自身的位置。只有在传感器节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件发生的具体位置，这需要监测到该事件的多个传感器之间的相互协作，并利用他们自身的位置信息，使用特定定位机制确定事件发生的位置。在传感器网络中，传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提。 全球定位系统 gps(global position system)是目前应用得最为广泛的最成熟的定位系统，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是 gps 定位成本较高，需要固定基础设施，这使得它不适用于低成本自组织的无线传感器网络。在无线传感器网络中，由于传感器节点的本身的限制，对定位算法和定位技术提出了很高的要求。因此，必须针对无线传感器网络密集性，节点的计算、存储和通信能力都有限的特点设计有效的具有自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算特点的低功耗算法。 在无线传感器网络中，传感器节点的能量有限、可靠性差、节点规模大而且随机分布、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出了很高的要求。传感器网络的定位算法通常需要具备以下特点：1、自组织性：无线传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位。 2、健壮性：无线传感器网络的硬件配置低、能量少、可靠性差，测量距离时会产生误差，算法必须有较好的容错性。 3、能量高效：尽可能地减少算法计算的复杂性，减少节点间的通信开销，延长网络的生存周期。通信开销是无线传感器网络的主要能量开销。 4、分布式计算：每个节点计算自身的位置，不能将所有的信息传送到某个节点进行集中计算。 2.无线传感器网络技术发展背景 1996年，美国ucla大学的william j kaiser教授向darpa提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代wsn网络的序幕。1998年，同是ucla大学的gregory j pottie教授从网络研究的角度重新阐释了wsn的科学意义。在其后的10余年里，wsn网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将wsn网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(mit)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。wsn网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、ad hoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与wsn网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会(acm)和ieee成立了第一个专门针对传感网技术的会议international conference on information processing in sensor network(ipsn)，为wsn网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。acm在2005年还专门创刊acm transaction on sensor network，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，boston大学与bp、honeywell、inetco systems、invensys、millennial net、radianse、sensicast systems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进wsn技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国wsn技术研究开始进入一个新的历史阶段。3基于zigbee 组建wsn网络 zigbee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。它的基础是 ieee 802.15.4，这是ieee无限个人区域网（pan ，personal area network）工作组的一项标准，被称作ieee 802.15.4 （zigbee ）技术标准。zigbee 不仅是802.15.4的名字。ieee仅处理低级mac层和物理层协议，所以zigbee 联盟对其网络层协议和api进行了标准化。完全协议用于一次可直接到一个设备的基本节点的4kb 或者作为hub、路由器的协调器的32kb。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。zigbee 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄露其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。相对于常见的无线通信标准，zigbee 协议栈紧凑简单，具体实现要求很低，只要8位处理器再配上4kb rom和64kb ram等，就可以满足其最低需要，从而大大降低了芯片的成本。 zigbee 技术的特点包括以下几方面： 1 省电。两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。 2 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个zigbee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。 3 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 4 网络容量大。可支持达65000个节点。 5 安全。zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的aes-128. 6 高保密性。采用64为出厂编号并支持aes-128加密。 zigbee 适用于wsn，下面就应用 zigbee 组建wsn网络的一些关键问题作阐述。 3.1 设备类型 在zigbee 网络中，支持两种类型的物理设备：全功能设备(full function device ，ffd)和精简功能设备(reduced function device ，rfd)。 一般来说，全功能设备(ffd) 支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器(network coordinator)，能和任何设备通信；精简功能设备(rfd) 只适用于星型网络拓扑结构，不可以充当网络协调器，且只能与 ffd 通信，不能与其它的 rfd 通信。在任何一 zigbee 网络中必然存在以下的设备：网络协调功能设备(network coordinator) ，可以与任何设备通信的全功能设备，其主要功能是协调建立网络，也叫网络节点(network node) ；精简功能设备，因其内部功能结构简单、上层应用少，且某些仅仅包含ieee 标准的协议，所以又被称为 ieee节点(ieee node)。 3.2 路由选择 zigbee 采用自组织(ad-hoc) 方式组网，这种架构被称为无基础架构的无线局域网(ad-hoc wireless lan) ，这种架构对网络内部的物理设备的数量不加限制，可以随时建立无线的通信连接。 例如，网络协调器 coordinator 一直处于监听状态，一个新添加的 rfd 会被网络自动发现，这时，ffd 会把 rfd 的信息传送给协调器，由协调器进行编址，并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。若新添加到网络的是ffd ，则可直接把自身信息上报协调器，并对周围的 rfd 设备进行轮询，记录它们的地址信息，通知协调器更新路由，此时新加入的 ffd 起到了一个桥梁的作用，rfd 通过ffd 和协调器进行间接通讯。 这种层次结构路由的优点是便于管理，增加了网络的透明度，有利于发现并自动添加新入网设备：适合大规模的自组网环境，可扩展性较好。其缺点是骨干网节点的可靠性和稳定性对全网性能影响较大。 zigbee 路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围。zigbee 终端设备一般不参与路由选择。由于路由器和终端设备被整合到网络之中，所以它们从协调器或从任何已经处于网络中的路由器那里可以获得有关网络的信息。zigbee 路由器使用树形路由选择，即在做路由选择策略时利用树形结构选址。有了树形路由选择，最小化了网络流量。但树形路由选择遵循树形结构，而不是采取最短路径，超过一定长度的路径会产生额外的流量，并且更有可能发生故障。为了提高路由效率，zigbee 算法也让路由器去发现捷径。路由的选择规则很简单：“如果有捷径，你就用它，否则就使用树形”。 3.3 网络拓扑 zigbee 网络通常有两种常见的网络拓扑：星型和点对点型，如图 1 所示。每个 zigbee网络至少需要一个 ffd 实现网络协调功能。 1、星型拓扑结构常由一个 ffd 和若干rfd 组成，该 ffd 充当网络协调器功能，其它设备都只与协调器通讯，由协调器决定要做的事情。网络的拓扑结构基本上使用64biit 延伸地址(extended address) ，此外，协调器可配置 16bit短地址(short address)给设备以节省带宽。短地址的分配是当设备(device) 与协调者进行初始联结(association) 时取得。 2、点对点拓扑方式也有一个 ffd 充当网络协调器，但是其它的非协调器 ffd 设备除了可以对协调器连接外，也可以对在其范围内的rfd 设备通信，不过 rfd 一般不直接和协调器联接。点对点的拓扑结构也可以升级为更复杂的拓扑方式运作，例如：网状网络拓扑(mesh networking topology) 、簇状网络拓扑(cluster networking topology) 等。 zigbee 网络中，所有设备都有一个唯一的 64bit的ieee 地址，而在网络建立后设备加入网络时，它的父节点会给它分配一个 16bit的网络地址，在网络通信时，首先由 ieee 地址找到设备的网络地址，然后根据网络地址实现设备之间的通信，这样可以减少帧头长度，多传有效数据，同时也减少了处理、分析地址的运算量。地址模式有两种：在星型网络中，采用“网络号+设备标识”的编址方式；在点对点的网络中，直接使用源/目的地址。 4支持zigbee 的cc2430芯片 cc2430 芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从 ide 的iar 工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合chipcon公司全球先进的 zigbee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的 zigbee 解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于 zigbee 之外2.4 ghz 频率的其他设备。cc2430芯片延用了以往 cc2420芯片的架构，在单个芯片上整合了 zigbee 射频(rf) 前端、内存和微控制器。 cc2430芯片在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 ma 或25 ma 。cc2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合要求电池寿命非常长的应用。 cc2430芯片采用 7mm7mm qlp封装，共有 48个引脚。全部引脚可分为 i/o 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。cc2430有21 个可编程的 i/o 口引脚，p0、p1口是完全8 位口，p2口只有 5 个可使用位。通过软件设定一组 sfr 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的 i/o 口或作为连接 adc、计时器或 usart部件的外围设备 i/o 口使用。 电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容 c341和电感 l341、l321、l331以及一个 pcb 微波传输线组成，整个结构满足rf输入/输出匹配电阻(50)的要求。内部 t/r 交换电路完成 lna和pa之间的交换。r221和r261为偏置电阻，电阻 r221主要用来为 32mhz的晶振提供一个合适的工作电流。用 1个32mhz的石英谐振器(xtal1) 和2 个电容(c191 和c211)构成一个 32mhz的晶振电路。用1 个32.768khz 的石英谐振器(xtal2) 和2 个电容(c441 和c431)构成一个 32.768khz 的晶振电路。电压调节器为所有要求 1.8v 电压的引脚和内部电源供电，c241和c421电容是去耦电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。 5基于rssi的加权质心算法 通过对普通质心算法的分析可以发现，普通质心算法没有体现各个信标节点对未知节点的坐标计算的影响力的大小。普通质心算法对于位于信标覆盖区域的未知节点都定位于信标多边形的质心位置。rssi测距虽然是一种粗糙的测距手段，但rssi的值的大小在一定程度能体现传感器节点之间距离的大小，rssi值越大，说明两个节点之间的距离越近，反之，则两节点的距离越远。目前传感器节点的控制芯片都具有测量rssi的功能，使用基于rssi的加权质心算法对于传感器节点的成本并不会增加，因此是一种比较简单、容易实现的定位算法，非常适合 wsn对定位的要求。 基于rssi的加权质心定位算法的基本思想是：在质心算法中，通过加权因子来体现信标节点对质心坐标决定权的大小，利用加权因子体现各信标节点对质心位置的影响程度，rssi值越大的信标节点对未知节点的坐标的决定权越大。 知节点越近的信标节点对未知节点的定位有更大的影响，通过这种内在关系的反映，来提高定位的精度。协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的 zigbee 解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于 zigbee 之外2.4 ghz 频率的其他设备。cc2430芯片延用了以往 cc2420芯片的架构，在单个芯片上整合了 zigbee 射频(rf) 前端、内存和微控制器。 cc2430芯片在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 ma 或25 ma 。cc2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合要求电池寿命非常长的应用。cc2430芯片采用 7mm7mm qlp封装，共有 48个引脚。全部引脚可分为 i/o 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。cc2430有21 个可编程的 i/o 口引脚，p0、p1口是完全8 位口，p2口只有 5 个可使用位。通过软件设定一组 sfr 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的 i/o 口或作为连接 adc、计时器或 usart部件的外围设备 i/o 口使用。 电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容 c341和电感 l341、l321、l331以及一个 pcb 微波传输线组成，整个结构满足rf输入/输出匹配电阻(50)的要求。内部 t/r 交换电路完成 lna和pa之间的交换。r221和r261为偏置电阻，电阻 r221主要用来为 32mhz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32mhz的石英谐振器(xtal1) 和2 个电容(c191 和c211)构成一个32mhz的晶振电路。用1 个32.768khz 的石英谐振器(xtal2) 和2个电容(c441 和c431)构成一个 32.768khz 的晶振电路。电压调节器为所有要求 1.8v 电压的引脚和内部电源供电，c241和c421电容是去耦电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。 6.无线传感器网络定位技术应用实例目标定位：wsn中感知目标信息的节点将感知信息广播(无线传送)到管理节点，再由管理节点融合感知信息，对目标位置进行判断的过程称为目标定位。目标定位是wsn的重要应用之一，为火力控制和制导系统提供精确的目标定位信息，从而实现对预定目标的精确打击。由于wsn具有扩展性强、实时性和隐蔽性好等特点，使得它非常适合对运动目标进行跟踪定位，为指挥中心提供被跟踪对象的实时位置信息。wsn的目标定位应用方式可以分为侦测、定位、报告三个阶段。在侦测阶段，每个传感器节点随机“启动”以探测可能的目标，并在目标出现后计算自身到目标的距离，同时向网络广播包括节点位置及与目标的距离等内容的信息。在定位阶段，各节点根据接收到的目标方位与自身位置信息，通过最大似然、三边测量或三角测量等方法，获得目标的位置信息，然后进入报告阶段。在报告阶段，wsn会向距离目标较近的传感器节点广播消息，使之启动并加入跟踪过程，同时wsn将目标信息通过汇聚节点传输到管理节点或指挥所，实现对目标的精确定位。2003年美国国防高级研究计划局主导的network embed and system technology项目成功验证了wsn技术的准确定位能力。该项目采用多个廉价音频传感器节点协同定位敌方狙击手，并标识在所有参战人员的个人计算机中，三维空间的定位精度可达15 m，定位延迟达2 s，甚至能显示出敌方狙击手采用跪姿和站姿射击的差异，使指挥员和战斗员的作战态势感知能力产生了质的飞跃。7. 无线传感器网络定位技术性能 无线传感器网络定位性能的评价标准主要分为7 种，下面分别进行介绍。1 定位精度。定位技术首要的评价指标就是定位精确度， 其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差， 一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示， 定位误差越小定位精确度越高。2 规模。不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外， 给定一定数量的基础设施或一段时间， 一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。3 锚节点密度。锚节点定位通常依赖人工部署或使用gps 实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制， 还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用gps 定位， 锚节点的费用会比普通节点高两个数量级， 这意味着即使仅有10%的节点是锚节点， 整个网络的价格也将增加10 倍， 另外， 定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限， 当到达一定程度后不会再提高。因此， 锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。4 节点密度。节点密度通常以网络的平均连通度来表示， 许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感器网络中， 节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加， 而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。5 容错性和自适应性。定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真实环境往往比较复杂， 且会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等问题， 此时， 物理地维护或替换节点或使用其他高精度的测量手段常常是困难或不可行的。因此， 定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性， 能够通过自动调整或重构纠正错误， 对无线传感器网络进行故障管理， 减小各种误差的影响。6 功耗。功耗是对无线传感器网络的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点的电池能量有限， 因此在保证定位精确度的前提下， 与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。7 代价。定位系统或算法的代价可从不同的方面来评价。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间； 空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等； 资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。上述7 个性能指标不仅是评价无线传感器网络自身定位系