（控制理论与控制工程专业论文）基于zigbee无线传感网络定位技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络集中了微机电、感知、嵌入式计算、分布式信息处理和无 线通信等技术，孕育出一种全新的信息获取和处理模式。布局和覆盖、节点定 位、网络通信协议是传感器网络研究中的几个基本问题。其中，网络通信协议 和节点定位问题是无线传感器网络进行目标识别、监控、跟踪等众多应用的前 提，也是传感器网络研究中的热点问题之一。本文由浅入深地研究了当今主流 的几种无线传感器网络定位算法：从基于测距技术的无线传感器网络定位算法， 到基于d vd i s t a n c e 的定位算法7 + ，最后研究了基于移动参考节点的定位机制。 首先，论文在查阅大量相关文献的基础上，综述了基于z i g b e e 无线传感器 网络定位技术的国内外研究现状。介绍了z i g b e e 通信协议以及无线传感器网络 定位系统和算法的性能评价标准和分类方法，着重综述了近年来该领域具有代 表性的算法及系统的原理和特点。 其次，论文提出了一种能应用在无线传感器网络中，基于扩展卡尔曼滤波 的t d o a 定位方案：先利用测得的t d o a 值进行定位，再将算法得出的目标节 点估计值作为扩展卡尔曼的观测值进行滤波估计，以四个锚节点为例，进行了 仿真分析。该定位方案不需要节点间全局同步，能有效减小节点设计的额外硬 件开销，降低了节点功耗和成本。 然后，论文进一步研究了基于多跳的无线传感网络定位算法。在分析现有 基于多跳的无线传感网络定位算法的基础上，针对其中的d v d i s t a n c e 算法进行 了研究，提出了一种改进的差分d vd i s t a n c e 算法，使得算法定位精度明显提高 并对其性能进行仿真分析。接着文中讨论了该算法的适用环境、产生误差、通 信量和计算量等因素，提出其适用于各向同性的网络结构，且对误差的可预见 性做了分析。 最后在利用移动参考节点进行定位的机制中，最重要的问题是如何规划参 考节点的移动路径及其发出定位信号的位置。本文借助于虚拟力算法，对参考 节点路径选择问题提出了一个可行的算法，能够保证对监控区域内未知节点的 覆盖率，并可使参考节点移动的总路程最短。 关键字：无线传感器网络，z i g b e e 协议，t d o a 定位技术，d v - d i s t a n c e 算法， 武汉理工大学硕士学位论文 移动参考节点 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w h i c h i n t e g r a t et e c h n o l o g i e so fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms e n s i n g ，e m b e d d e dc o m p u t i n g ，d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，l e a dt oan e wp a t t e r no fi n f o r m a t i o ng a t h e r i n ga n d p r o c e s s i n g t h ef u n d a m e n t a lp r o b l e m so fs e n s o rn e t w o r k sa t ed e p l o y m e n ta n d c o v e r a g e ，l o c a l i z a t i o n ，a n dn e t w o r k i n gp r o t o c o l s a n dl o c a l i z a t i o n ，w h i c hh a sb e e n f o c u s e da sab a s i cp r o b l e m ，i st h ep r e c o n d i t i o no fm a n ya p p l i c a t i o n so fs e n s o r n e t w o r k s ，s u c ha st a r g e ti d e n t i f i c a t i o n ，s u r v e i l l a n c ea n dt r a c k i n g t h e r e f o r e ，w ed i s c u s s t h es e v e r a lo ft o d a y sm a i n s t r e a mp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ：t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m 。d 虼d i s t a n c ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m 。t h er e f e r e n c en o d eb a s e d o nm o b i l ep o s i t i o n i n gm e c h a n i s m f i r s to fa l l ，t h er e s e a r c hs t a t u so fw i r e l e s sl o c a t i o nt e c h n i q u e sa n dp o s i t i o n i n g s y s t e m sf o rw s na r es u m m a r i z e db a s e do nt h es t u d yo fal o to fr e l a t e dl i t e r a t u r e s i n t h i st h e s i s ，t h ec r i t e r i o no fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n da l g o r i t h m s ，t h et a x o n o m yf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sl o c a l i z a t i o ns y s t e m sa r ed e s c r i b e d ，t h ep r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fr e c e n tr e p r e s e n t a t i v el o c a l i z a t i o na p p r o a c h e sa t ed i s c u s s e da n d p r e s e n t e d s e c o n d l y , w ef u r t h e rs t u d yb a s e do nt h em u l t i h o pw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k l o c a t i o na l g o r i t h m w ep r e s e n t e dan o v e le k f b a s e dp o s i t i o n i n gs c h e m eu s i n gt d o a f o rs e n s o rn e t w o r k s o u rs c h e m ew h i c hi sb a s e do nt i m em e a s u r e m e n tr e q u i r e sn o g l o b a lt i m es v n c h r o n i z a t i o ni nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dm i n i m a le x t r a h a r d w a r ei ns e n s o rc o n s t r u c t i o n w ef i r s t l yu t i l i z et h et d o am e a s u r e m e n t st ol o c a t e t a r g e ts e n s o rn o d e ，a n dt h e nm a k eu s eo ft h ee s t i m a t e dv a l u e sw h i c hi se d u c e df r o m t h ea l g o r i t h ma so b s e r v e dv a l u e sf o re x t e n d e dk a l m a nf i l t e r i n ga n de s t i m a t i o n ，t h e n w ea n a l y z et h er e s u l t so fs i m u l a t i o nb a s e do nt h r e ea n c h o rs e n s o r s t h i r d l y , a i m i n ga tt h ee n h a n c e dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k n o d el o c a t i o n ，a ni m p r o v e dd vd i s t a n c ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，w h i c hu s e sa d i f f e r e n t i a le r r o rc o r r e c t i o ns c h e m ef o rr e d u c i n gc u m u l a t i v ed i s t a n c ee r r o ra n dn o d e l o c a t i o ne r r o ra c c u m u l a t e do v e rt h em u l t i p l eh o p s ，i sp r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，w e d i s c u s st h ep r o p e rs i t u a t i o no fu s i n gt h ea l g o r i t h m t h ef a c t o ro f1 0 c a l i z a t i o ne r r o r , c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t a t i o nc o s t ，a n dw h e t h e rt h ee r r o rc a nb ef o r e c a s t e d f i n a l l y , t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mo ft h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mw i t ham o b i l e b e a c o ni st h ep r o b l e mh o ww ec h o o s et h ep a t ho ft h em o b i l eb e a c o n ，a n dw h e nt h e b e a c o nb r o a d c a s t si t sp o s i t i o n w ep r o p o s eaf e a s i b l es c h e m eu s i n gv i r t u a lf o r c e w h i c ha s s u r e st h eb e a c o n sc o v e r a g eo ft h es u r v e i l l a n c ea r e a a n dm a k e st h eb e a c o n s p a t hs h o r t e s t k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，z i g b e e ，t d o aa l g o r i t h m ，d vd i s t a n c e a l g o r i t h m ，m o b i l eb e a c o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) 导师( 签名) 日期： e i 明哗 l毖取 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 作为近几年来的研究热点之一，无线传感器网络相关的研究成果不断涌现。 但是这些研究成果基本还处于起步阶段，距离实际的应用需求还相差甚远。确 定事件发生的位置或获取消息的节点位置是无线传感器网络最基本的功能之 一，对无线传感器网络应用的有效性起着关键的作用。本文系统地研究了无线 传感器网络节点自定位问题，特别是针对不同场景下改进的节点定位技术，以 达到提高节点自定位技术的有效性和可用性的目的。本章首先介绍了本文研究 的背景，然后介绍了节点自定位问题的一些背景知识及国内外研究现状，最后 介绍了本文的主要工作及安排。 1 1 课题背景 无线传感器网络( 无线传感器网络，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是微机电系统 ( m e m sm i c r o e l e c t r o m e c h a n i s m s y s t e m ) 、片上系统( s o c ，s y e t e m o n c h i p ) 和无 线通信技术高度集成而孕育出的一种新型信息获取和处理模式【1 。3 】。其典型工作 方式如下：使用飞行器将大量传感器节点( 数量从几百到几千个) 抛撒到感兴 趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。随机分布的集成有传感器、 数据处理单元和通信模块的微小节点借助于内置的形式多样的传感器测量所在 周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、 噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多部署者 感兴趣的物质现象。在网络中，节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的 路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关( 也称为s i n kn o d e ) 是一个 特殊的节点，可通过i n t e r n e t 、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可利 用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。与传统的信息获取方式相比，无 线传感器网络具有自组织、功耗小、廉价和快速部署、可扩展性强、能在恶劣 和特殊的环境下正常工作等优点 4 - 8 1 。 无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每 一个传感器节点由数据采集模块( 传感器、a d 转换器) 、数据处理和控制模块 武汉理工大学硕士学位论文 ( 微处理器、存储器) 、通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电池、能量转换 器) 等组成如图1 - 1 所示，其中还可附加定位模块和移动装置等。数据处理和控 制模块负责协调节点各部分的工作，如对传感器获取的信息进行必要的处理、 保存、控制传感器和无线通信部件的工作模式等，存储器用柬存储软件及数据， 无线通信部件负责与其它传感节点或设备进行通信，不同的节点采用不同的通 信信道。 图1 - 1 无线传感节点构成图 现实中无线传感器网络的节点形态是多种多样的，通常最常见的就是实验 室使用的m i c a 系列的节点，使用两节5 号电池、供电。此外还有许多种针对特 定应用设计的无线传感器节点，立图1 2 所示。 图1 2 多种无线传感器节点 无线传感网络具有自组织、低功耗、廉价、可快速部署和可扩张性强等优 武汉理工大学硕士学位论文 点，非常适合在特殊时刻、特殊环境中快速构建信息基础设施，因此具有广阔 的应用前景，如国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造 业、反恐抗灾等领域【9 珈】。例如，无线传感网络可以向正在准备进行登陆作战的 部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息，如丛林地带的地面坚硬度、干湿度 等，为制定作战方案提供可靠的信息。无线传感网络可以使人们在任何时间、 地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，无线传感器网络是信息感 知和采集的一场革命。无线传感网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和 工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它己经引起了世界许多国家的军事 部门、工业界和学术界的极大关注 u l 。其最早是由美国国防部高级研究计划局 为军事应用而发起的，并在1 9 9 8 年9 月h o u s es c i e n c ec o m m i t t e e 被评价为美国 的重大科技突破。为了保证美国在这一先进技术领域的优势地位，美国国防部 在c 4 1 i s r 的基础上提出了c 4 1 i s r 计划，强调战场情报的感知能力、信息的综 合能力和信息的利用能力，将传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系 列的军事传感网络研究项目。同时，美国自然科学基金委员会n s f 于2 0 0 3 年也 指定了传感器网络研究计划，投资3 4 ，0 0 0 ，0 0 0 美元，支持相关的基础理论研究； 美国能源部2 0 0 3 年就投资超过一千万美元资助三个项目研究无线传感技术在提 高工业效率和改善能源管理方面的应用。在欧洲和日本，大量类似的项目也得 到了政府的大力资助，如欧盟的e y e s 计划，和s e w i n g 系统【1 2 】等。由于政府 的资助和商业需求的驱动，国外各大公司( 如i n t e l ，i b m 和m i c o s o f t 等) 和以加州 大学分校b e r k e l y 为代表的几乎所有大学都投入到各类研发计划中。 我国的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同时启动。国内的很多 高校也掀起了无线传感网络的研究热潮。清华大学、中国科大、哈工大、浙江 大学、华中科技大学、天津大学、南开大学、北京邮电大学、上海交大等单位 纷纷加入到无线传感器网络研究的队伍中。在项目资助方面，从2 0 0 2 年开始， 随着国家自然科学基金的引导作用，国内掀起了一个理论研究的高潮，尤其是 在2 0 0 5 年和2 0 0 6 年的国家发改委专项项目以及2 0 0 6 年国家9 7 3 基础研究计划 的引导下，国内对无线传感网络的研究热情也空前高涨。但是从总体上来讲， 在研究问题的深度和投入的科研力量上，国内的研究水平相对美国而言还有一 定的差距。并且，国内对无线传感器网络的研究大都集中在跟踪国外某些具体 研究点，比如以节能为首要目标的路由协议、m a c 协议、拓扑控制与管理，以 3 武汉理工大学硕士学位论文 及相应支撑技术如数据管理系统、定位与时钟同步等理论分析和算法仿真方面， 而相应理论成果大多存在着与实际应用脱节，理论成果的实际应用性能不佳等 问题，尤其缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权的内容较少。 1 2 课题研究目的和意义 随着计算机、通信、网络、微电子、集成电路等技术的发展，信息技术的 硬件环境和软件环境发生了巨大变化。这种变化使得通信和计算机构成的信息 空间，与人们生活和工作的物理空间正在逐渐融为一体。普适计算的思想就是 在这种背景下产生的，其定义为：普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这 个融合的空间中，人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务。普适计算为 用户提供其所在环境的相关信息，其中8 0 的信息和位置有关，并且设备的许 多行为都与其所在的位置相关联，如实时跟踪用户所处的位置或将来电自动转 接到离用户最近的电话等，所有这些应用都需要判断目标对象在室内的位置， 以及与其它设备之间的相对位置关系。因此，定位服务是普适计算中的一个主 要服务。 无线传感器网络作为普适计算思想的典型应用，节点的位置信息同样在诸 多领域中扮演着重要角色。 首先，对于无线传感器网络的大部分应用场合，诸如水文、火灾、潮汐、 生态学研究、飞行器设计等课题中采用无线传感器网络进行信息收集和处理， 传感器节点的物理位置信息是不可或缺的。在上述应用场合，传感节点主要发 回所处位置的物理信息数据，如酸碱度、温度、水位、压力、风速等，这些数 据必须和位置信息相捆绑才有意义，甚至有时需要传感器发回单纯的位置信息。 此外，在无线传感器网络广泛应用的军事战术通信网中，位置管理和配置管理 是两大课题。分布在海、陆、空、天的舰船、战车、飞行器、卫星以及单兵等 临时构成了战场上的自组网。由自组网中各节点的互通信，指挥官可以完成对 整个战场态势的认知和把握。节点的位置信息是作战指挥的关键依据，无线传 感器网络节点随时发回的战术信息与该节点当时所处位置有关，没有位置信息 的支持，这些战术信息将没有意义。因此，从应用角度来讲，传感节点的定位 是传感网络中最为重要和传统的问题，研究具有可扩展性的传感器网络定位系 统是该领域的主流问题之一。 4 武汉理工大学硕士学位论文 其次，对于网络系统本身而言，系统无缝协调的基础便是节点的位置信息。 通过节点的位置信息可以建立节点之间的拓扑关系，从而为节点间的协作提供 依据。此外，无线传感器网络通常是和现实的物理世界联系在一起的，节点的 位置信息可以为系统提供一个环境关联的上下文。嵌入物理世界的传感器节点 监视或控制物理系统，传感器节点通常需要根据它们的物理位置决定它们的行 为，为系统的协调提供有力保证。 最后，节点位置信息可以为其它多个协议层的设计提供帮助。在应用层， 节点位置信息对基于位置信息选择服务的上下文感知的应用是不可缺少的；对 通过汇聚多个传感器器节点的数据获得能量保护方面，位置信息也非常重要。 在网络层，位置信息与传输距离的结合，使得基于地理位置的路由算法成为可 能，研究表明，基于节点位置信息的路由策略能够更加有效地通过多跳方式在 无线传感器网络中传播信息。 目前使用最广泛的定位系统当属全球定位系统统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， 简称g p s ) ，g p s 系统利用精确的同步卫星时钟提供授时和测距以对用户节点 进行定位，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是g p s 定位 仅仅适应于无遮挡的室外环境，其用户设备通常能耗高、体积大、成本高。 无线传感器网络会受到g p s 带来的诸多限制，如费用、功耗、信号干扰以 及地形制约等。在一些特定环境中( 如室内、水下等) ，g p s 会由于接收不到卫 星信号而失效。在多数无线传感器网络应用中，要求传感器节点的尺寸微小， 以至与g p s 接收设备的尺寸不可比，在这样的情况下，利用g p s 接收机不切 实际。另外微小的传感器节点在能源消耗上有很大限制，利用g p s 设备定位存 在很大的局限性。特别的，在战争环境下，g p s 卫星系统很可能被损毁，美国 军方还可以在局部区域内加入或增强g p s 干扰信号，使其敌对方利用g p s 时 定位精度严重降低，无法用于军事行动。 无线传感器网络中节点间的协作直接关系到网络性能，或者说，无缝协调 已成为无线传感器网络系统解决方案的瓶颈，而无缝协调的基础便是网络中节 点的位置( 坐标) 信息。如何确定无线传感器网络中传感器节点的位置信息成 为了必须解决的关键问题之一。由于无线传感器网络的节点定位方法的设计必 须考虑网络本身的内在特点，包括经济性、可扩展性、自适应性和鲁棒性，因 此，探讨适合于大规模无线传感器网络的分布式节点定位方法面临巨大挑战。 可以说，从根本上解决无线传感器网络中节点位置信息的获取问题将会对无线 5 武汉理工大学硕士学位论文 传感器网络更为广泛应用和深入研究产生极大的推动和促进作用。 1 3 相关研究领域及发展现状 1 3 1 基于z i g b e e 的无线传感器网络简介 生产和生活的需求促进了新技术的产生和发展，随着有线通信技术的发展， 无线通信技术正在受到全世界的通信公司和研究者们的普遍关注和研究。无线 通信z i g b e e 技术作为一种新兴的技术，有着能量消耗低、数据速率低、和通信 范围较小的特点，正在世界范围内得到应用和推广。而z i g b e e 技术的特点同时 也决定了z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小和q o s 要求不高的业务。z i g b e e 名字来源于蜜蜂之间的通信方式，蜜蜂之间是通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来相互 交流信息，以便共享食物源的方向、距离和位置等信息。 2 0 0 2 年1 2 月，美国电子和电气工程协会i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 组，致 力开发一种可以应用到固定，便携活移动设备上的，低成本，低功耗的低速率 的无线连接技术。 2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司发起了成立。z i g b e e 联盟，他们 提出的。z i g b e e 技术被确认为i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。 2 0 0 2 年，摩托罗拉，飞利浦和三菱等企业加盟z i g b e e 联盟，2 0 0 6 年中国的 华为公司也加入了该联盟，现在联盟内部有1 8 0 多个成员企! i k ，包括软件供应 商，系统集成商和终端产品商。 2 0 0 3 年，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准获得通过，并且在2 0 0 4 年1 2 月推出了z i g b e e 技术规范1 0 版本。 ( 1 ) z i g b e e 技术的特点和协议构架 z i g b e e 无线通信技术由于它的低功耗，低成本，并且可以工作在2 4 m h z 国际免费频段i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n c em e d i c a l b a n d ) ，它的底层借助于 i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议，可以将其应用于矿井和无线传感器网络等一些场合。国 内一些新兴的z i g b e e 技术方面的公司像深圳旭昂和成都西谷正在将z i g b e e 无线 通信技术应用于我们的生活和生产的各个方面。 为了在世界范围内的推广z i g b e e 无线通信技术，世界5 0 0 强等公司像日本 6 武汉理工大学硕士学位论文 三菱电气公司、美国摩托罗拉公司，以及荷兰飞利浦半导体公司，在2 0 0 3 年成 立了z i g b e e 联盟1 1 4 1 。并且请世界级的科学家和研发人员制定了z i g b e e 规范【1 5 】， 而这个规范还在每年不停的更新。现在出来的是1 1 版本的z i g b e e 技术规范。 它规定了z i g b e e 技术的体系构架，以及和i e e e 8 0 2 1 5 4 的接口，网络层，应用 层等。现在世界很多公司都加入了z i g b e e 联盟，已经有2 0 0 多家公司或是学校 的研究人员也可以免费从z i g b e e 联盟的官方网站上下载协议规范。的协议栈结 构如图1 3 所示。 z i g b e e 的底层是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议【l 们，包括物理层和数据链路层。上面是 网络层，应用层。此外，z i g b e e 协议栈还提供了安全机制，可以对发送和接收 的信息进彳亍加密从而提供安全性能。底层为高层提供服务，类似于以太网的设 计构架，而应用层又分为应用子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u bl a y e r ) 矛l l 应用层 ( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。应用子层为应用层提供服务，而应用层直接面向实际的应用 开发。在z i g b e e 协议中，z i g b e e 协议的地址分为两种，分别是长地址和短地址： 长地址有6 4 位，短地址有1 6 位。 a p p l i c a t i o n li z i g b e ed e v i c e o b j e c tilo b j e c t l 7 、 a p s d e s a p )( a p s d e s a p 、产_ a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r n l d e s a p n e t w o r kl a y e r 一一、，一一、 m l d e s a pj( m l m e l s a p m a c l a y e r p d s a p)(p l m e s a p 附儿州圉 图1 - 3z i g b e es t a c k 示意图 ( 2 ) z i g b e e 技术的网络拓扑结构 7 武汉理工大学硕士学位论文 z i g b e e 技术是一个无线通信技术，它所支持的网络拓扑结构有三种：分别 是星型，树型，m e s h 网( 网状网) ，如图1 4 所示。而从节点的功能上来看，有 两种功能不同的设备：全功能设备和精简功能设备。而从一个网络的组建来看， 每个网络( 也就是有一个协调器节点) 可以有2 5 5 个节点，而不同的网络之间 可以互连，从而进行扩充。全功能设备可以担当协调器节点，或是中间节点， 而精简功能设备只可以担当叶子节点。图1 5 是树形网络结构的一个例子。 图1 - 4 z i g b e e 技术支持的节点的拓扑结构 。 通信节点 图1 5 树形网络结构 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 )e e 8 0 2 1 5 4 协议概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是由i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的p h y 和m a c 层再加上 z i g b e e 的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点是网络系统支持极低成本、 易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。 i e e e 8 0 2 1 5 4 规定了m a c 层和物理层的功能。 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务 中的正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。 m a c 子层主要功能包括下面六个方面 ( 1 ) 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同 步； ( 2 ) 支持p a n 网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作 ( 3 ) 支持无线信道通信安全 ( 4 ) 使用c s m a c a 机制访问信道 ( 5 ) 支持时槽保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制 ( 6 ) 支持不同设备的m a c 层间可靠传输。 关联操作就是一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认 证的过程。一网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要 进行关联和取消关联操作。 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务 和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理 服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。 物理层数据服务包括以下五方面的功能 ( 1 ) 激活和休眠射频收发器 ( 2 ) 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) ( 3 ) 检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ( 4 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ( 5 ) 收发数据 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信 号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号 9 武汉理工大学硕士学位论文 功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元都提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模 式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道 空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频 信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和 信号特征，给出信道空闲判断。 z i g b e e 无线通信技术是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的短距离无线通信。它使用的是 国际免费的2 4 g h z 频带，同时还包括9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z 频段，其中，总共可 以使用的通信频段有2 7 个，其中2 4 g h z 有1 6 个，9 1 5 m h z 的频段有1 0 个， 8 6 8 m h z 的有1 个。如图1 - 6 所示，各个信道的特性见表1 - 1 。 8 6 8 仉z c h a n n e loc h a n n e l s1 1 0 附y 上 i 一- - - - - - - - - - 一2 m h z 叫h 卜- 9 2 8 m h z 2 昌带 c h 鲫n c l s1 1 - 2 6 叫k 一5 m h z i口口口口口口口口口口口盘盘口口口i 图1 - 6i e e e 8 0 2 1 5 4 通信频段 表1 - 1i e e e 8 0 2 1 5 4 通信频段和特征 b a n dc o v e r a g ed a t a r a t e o fc h a n n e l ( s ) 2 4g h zi s mw 6 r l d w i d e 2 5 0k b p s1 6 8 6 8m h z e u r o p e 2 0k b p s1 9 1 5m h zi s ma m e r i c a s4 0k b p s1 0 2 4 g h z 是国际免费频段。支持的数据传输数率为2 5 0 k b p s ，而8 5 8 m h z 和 9 1 5 m h z 分别是欧洲和美国的通信频段，支持的数据率也较低，只有2 0k b p s 和 4 0 k b p s 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议使用4 种帧结构，分别是信标帧( b e a c o nf r a m e ) ，命令帧 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( c o m m a n df r a m e ) ，数据帧( d a t af r a m e ) 和响应帧( a c k n o w l e d g ef r a m e ) 。 分别见表1 2 至表1 5 。 表1 - 2 一般的帧结构 o c t e t s ：21o 2 0 2 80 2 o | 2 湛v a r i a b l e2 帧控制序列目的p a n 目的地源p a n 标源地 p a y l o a d f c s 号标志址 - d r 址j l ! 一 地址域 m a c 帧头部 m a c 帧校 p a y l o a d 验 表1 3 信标的帧结构 o c t e t s ：21 4 1 q 2v a r i a b l ev a r i a b l ev a r i a b l e2 帧控制序列号地址字超帧规g t s 字源地址p e n d i n g f c s 段 范 段 地址字 段 m a c 帧头部 m a c p a y l o a d帧校验 表1 - 4 数据帧的结构 o c t e t s ：214 1 0v a r i a b l e2 帧控制序列号地址字段 d a t ap a y l o a d 帧校验和 m a c 帧头 m a c p a y l o a dm a c 校验 表1 5 确认帧 o c t e t s ：212 帧控制序列号帧校验和 m a c 帧头 可以看到帧的结构一般为帧控制字段，帧序列号码，源地址，目的地址， p a y l o a d ，校验和。由于有了帧格式的规定，世界各个厂商和通信协议开发公司 在生产出来的芯片和开发出来的程序就可以相互兼容，便于在世界范围内的推 广o 1 3 2 无线传感器网络节点定位研究现状 作为一种全新的技术，无线传感器网络具有许多挑战性的研究课题，而定 位就是其中之一。定位是大多数应用的基础。无线传感器网络中的定位机制与 算法包括两部分：节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。 传感器节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到 武汉理工大学硕士学位论文 很大限制，低功耗是其最主要的设计目标。而人工部署和为所有网络节点安装 c p s 接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能 根本无法实现，因此必须针对其密集性，节点的计算、存储和通信等能力都有 限的特点设计有效的低功耗定位算法。 近1 0 年来，无线传感器网络自身定位问题研究的进展十分可喜，取得了丰 富的研究成果。特别是进入2 1 世纪后，对无线传感器网络自身定位问题有了许 多新颖的解决方案和思想，许多技术方案都能够解决无线传感器的自身定位问 题。但每一种系统和算法都是用来解决不同的问题或支持不同的应用，它们在 用于定位的物理现象，传感器设备的组成，能量需求，基础设施和时空的复杂 性等许多方面不同。总结来说，现行技术仍然存在着下列一些问题： ( 1 ) 缺乏更加有效精确的测距方法。 ( 2 ) 大规模无线传感器网络中的误差累积问题。 ( 3 ) 减少所有节点完成定位过程所需时间。 ( 4 ) 减少节点定位带来的通讯开销。 ( 5 ) 传感器节点有能量限制，需要研究在算法复杂度与能量消耗之间的合 理折衷。 ( 6 ) 目前的研究成果大部分都是基于静态网络的，对移动节点定位研究相 对较少。 无线传感器网络定位算法的研究从总体上说尚处于一个起步的阶段，已有 的研究工作正在为该领域提出越来越多需要解决的问题。本文认为除了对定位 算法本身的研究外，可能的热点研究方向包括：( 1 ) 定位算法性能评价的模型 化和量化；( 2 ) 建立标准的仿真技术和仿真系统来模拟定位算法的实现；( 3 ) 由成千上万节点组成的大规模或超大规模网络自身定位问题的低成本( 时空、 功耗、价格) 和高精度的实现：( 4 ) 在移动网络环境下具有自调整性的定位算 法的实现。 1 4 本文的主要工作及安排 针对无线传感器网络定位算法的现有研究成果和热点的研究范围，本文做 了相应的研究，主要工作如下： 无线传感器网络的许多应用需要知道节点的位置，在某些环境下还需要获 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 得节点的相对位置。因此本文由浅入深的研究了当今主流的几种无线传感器网 络定位算法：从基于测距技术的无线传感器网络定位算法，到基于d vd i s t a n c e 定位算法，最后研究了基于移动参考节点的定位机制。 本文首先讨论了基于t d o a 的无线传感器网络定位技术。文中介绍了一种 有效降低目标节点功耗且不需要节点全局同步的定位机制。该定位方案将采用 一种改进的泰勒序列展开算法对目标节点进行初始位置估计，并用扩展卡尔曼 滤波器对算法估计值进行滤波处理。 其次论文在分析现有无线传感器网络定位算法的基础上，针对其中的 d vd i s t a n c e 算法进行了研究，提出了一种改进的d vd i s t a n c e 差分算法，使得 算法定位精度明显提高。 最后详细讨论采用移动参考节点对传感器网络进行定位的过程，分析了定 位各阶段中产生的误差情况，提出了参考节点路径选择算法。 本文的组织如下： 第1 章为本文的绪论部分，介绍了本文的背景知识和主要工作。 第2 章介绍了无线传感器网络定位问题的基本理论体系和模型。 第3 章研究了基于t d o a 的无线传感器网络节点定位算法，且提出了改进 的节点定位算法，并进行的仿真实验。 第4 章研究了基于d vd i s t a n c e 的无线传感器网络节点定位算法，并提出 改进的差分d vd i s t a n c e 定位算法，并进行的仿真实验。 第5 章研究了无线传感器网络移动节点定位机制，提出了能够刘。兀线传感 器网络移动节点进行定位的机制算法，并对算法做了仿真实验。 第6 章对本文做了总结，提出了一些有待解决的问题。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络节点定位技术 2 1 节点定位技术的基本原理 2 1 1 节点定位问题概述 在传感器网络的许多应用中，用户关心的一个重要问题是在什么位置或区 域发生了特定事件。例如，目标跟踪、入侵检测、环境监控等，若不知道传感 器自身的位置，获取的数据是没有意义的。因此，传感器网络节点必须有自身 所在位置的信息，才能够有效地说明被检测物体的位置，以实现对外部目标的 定位、跟踪等。传感器网络节点定位技术的目的就是给出各传感器节点在平面 或空间中的绝对或相对坐标。节点的位置信息除用来报告事件发生的地点外， 还具有下列用途：辅助路由，如利用节点的位置信息进行数据传递的地理路由 协议，减少路由发现等开销以