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上海大学硕士学位论文 无线传感器网络关键技术研究 摘要 信息技术的高速发展使人们实现了对信息的海量存储、高速传输和快速处 理。但是，与它们不协调的是信息的采集和获取方法在技术上未取得实质突破， 对新信息的获取却仍未达到自动化的水平，大大限制了人们对外部世界的实时反 应能力。 近年来，随着传感器、计算机、微电子机械系统( m e m s ) 等技术的发展，融 合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的无线传感器网络技术应运而生 了。无线传感器网络由于其快速布局、抗毁性强、监测精度高、覆盖区域大等特 点而具有广阔的应用前景，是当前信息技术领域的研究热点之一。 本文的研究工作主要围绕着无线传感器网络节点定位技术来进行，文中设计 了两种实用型无线传感器网络节点定位算法，主要侧重于降低算法复杂度和提高 定位精度两方面进行算法的设计和研究，以提供算法在实际工程应用中的价值。 首先，本文综合应用了接收信号强度( r s s o 定位技术和质心定位技术的优 势，设计了一种加权置信度定位算法( w c l a ) 。该算法对节点硬件要求不高，也 无需网络中部署高密度的信标节点，可以较低的通信开销提供较好的定位精度。 仿真结果表明，它的典型定位误差小于射频通信距离的8 ；在最优参数配置下， 定位节点覆盖率为1 0 0 时的最大平均定位误差不超过射频通信距离的9 ，是一 种适用于实际工程中以区域定位为目标的经济、实用的节点定位方案。 其次，利用非视距传输( n l o s ) 条件下“r s s i 估算得到的节点间距离大于实 际节点间距离”的特性，基于对数常态分布模型和无线覆盖域交叠模型，本文另 外设计了一种比例型定位算法( p l a ) 。仿真结果表明，在路径损耗指数为2 的情况 下，定位节点覆盖率为1 0 0 时的最大定位误差小于射频通信距离的1 ；在路径 损耗指数为3 的情况下，其定位节点覆盖率达到1 0 0 时的最大定位误差不超过射 频通信距离的3 。该算法定位精度高，运算复杂度适中，比较适用于n l o s 环境 下节点硬件配置较好，对定位精度有较高要求的工程应用领域。 最后，结合本文的课题研究内容，文中对煤矿井下无线定位系统提出了一种 实用的井下定位方案，并利用实际楼道环境对煤矿井下定位的情景进行了模拟。 关键词：无线传感器网络，节点定位，接收信号强度，质心定位，井下定位 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , w e v er e a l i z e dm a s s s t o r a g e ，h i g hs p e e dt r a n s m i s s i o na n df a s tp r o c e s s i n g h o w e v e r , i n c o n g r u o u sw i t h t h e s ef a n t a s t i cd e v e l o p m e n t s ，m e t h o d su s e dt oc o l l e c ta n do b t a i ni n f o r m a t i o nh a v e n t g o ts u b s t a n t i a lt e c h n i c a li m p r o v e m e n t sa n di n f o r m a t i o ns t i l lc a n tb ea c q u i r e d a u t o m a t i c a l l ys ot h a th u m a n sa b i l i t yo fr e a l t i m er e a c t i o nt ot h ee x t e r n a lw o r l di s g r e a t l yr e s t r i c t e d d u r i n gt h el a s ts e v e r a ly e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r , c o m p u t e r , a n d m e m s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，w h i c hc o m b i n e st h et e c h n o l o g i e so fs e n s o r , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，c o m e si n t op e o p l e ss i g h t w s n h a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c tb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gq u i c ks p r e a d ， d a m a g e 。r e s i s t a n c e ，h i g hm o n i t o r i n gp r e c i s i o na n dc a p a b i l i t yo fe x t e n s i v ec o v e r a g e u n d o u b t e d l y , i th a sb e c o m eo n eo ft h eh o tr e s e a r c hp r o b l e m si n t h ef i e l do f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h ew o r ko ft h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fn o d el o c a l i z a t i o ni n w s n t w op r a c t i c a ll o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sa r ed e s i g n e di nt h i sp a p e ra n d t h e yp u t e m p h a s i so nd e c r e a s i n gt h eo p e r a t i o nc o m p l e x i t ya n di m p r o v i n gt h el o c a l i z a t i o n p r e c i s i o ns oa st os u p p l yv a l u ei np r a c t i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n f i r s t l y , a na p p r o a c hw h i c ha p p l i e st h ec o m b i n a t i o no fr s s it e c h n i q u ea n d c e n t r o i dl o c a l i z a t i o n t e c h n i q u e c a l l e d w e i g h t e dc r e d i t a b i l i t y l o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m ( w c l a ) i sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r w c l ad o e s n tr e q u i r eas e to fh i g h l y c o n f i g u r e dh a r d w a r e ，n o rd o e si tn e e dan e t w o r kw i t hd e p l o y e db e a c o n si nh i g h d e n s i t y i tc a np r o v i d ef a i r l yn i c el o c a l i z a t i o np r e c i s i o nw i t hl i t t l ec o m m u n i c a t i o n o v e r h e a d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et y p i c a ll o c a l i z a t i o ne r r o ri sl e s st h a n 8 o ft h ec o m m u n i c a t i o nr a n g ea n dw i t ht h e o p t i m a lp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n ，t h e n o d e s c o v e r a g er e a c h e s10 0 w h e nt h eu p p e rl i m i to fa v e r a g el o c a l i z a t i o ne r r o ri sn o m o r et h a n9 o ft h ec o m m u n i c a t i o nr a n g e i t sa 1 1e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a ln o d e l o c a l i z a t i o ns c h e m es u i t a b l ef o rp r o j e c t sw h o s e t a r g e ti sr e g i o nl o c a l i z a t i o n s e c o n d l y , u n d e rn l o sc i r c u m s t a n c e s ，u s i n gt h ef e a t u r et h a t “t h ee s t i m a t e d d i s t a n c eb e t w e e nn o d e s t h r o u g hr s s ii sl o n g e rt h a nt h er e a ld i s t a n c eb e t w e e nn o d e s ”， ap r o p o r t i o n a ll o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ( p l a ) i sd e s i g n e do nt h eb a s i so fm o d e l sc a l l e d l o g d i s t a n c ed i s t r i b u t i o na n ds u p e r p o s i t i o no fw i r e l e s sc o v e r a g ed o m a i n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en o d e s c o v e r a g er e a c h e s10 0 w h e nt h em a x i m a l l o c a l i z a t i o ne r r o ri sl e s st h a n1 o ft h ec o m m u n i c a t i o nr a n g eo nc o n d i t i o nt h a tt h e p a t h - l o s se x p o n e n ti s2w h i l et h em a x i m a ll o c a l i z a t i o ne r r o ri sn om o r et h a n3 o ft h e c o m m u n i c a t i o nr a n g ew i t ht h ep a t h - l o s s e x p o n e n tv a l u eo f3 t h el o c a l i z a t i o n p r e c i s i o no fp l ai se x c e l l e n tw h i l ei t so p e r a t i o nc o m p l e x i t yi sm o d e r a t e p l ai s s u i t a b l ef o rp r o j e c ta p p l i c a t i o nw i t hr e l a t i v e l yg o o dh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nw h i c h r e q u i r e sah i g hl o c a l i z a t i o np r e c i s i o ni nt h ee n v i r o n m e n to fn l o s f i n a l l y , c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ht o p i co ft h ep a p e r , as p e c i f i ca n dp r a c t i c a l u n d e r g r o u n dl o c a l i z a t i o ns c h e m ei sp u tf o r w a r df o rt h ew i r e l e s sl o c a l i z a t i o ns y s t e m u n d e rac o a lm i n e m e a n w h i l e ，t h eu n d e r g r o u n dl o c a l i z a t i o ns i t u a t i o ni ss i m u l a t e d b a s e do nt h ec o r d d o re n v i r o n m e n 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 ，n o d el o c a l i z a t i o n ，r s s i ，c e n t r o i dl o c a l i z a t i o n ， u n d e r g r o u n dl o c a l i z a t i o n i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：耥敏 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒篷垫导师 多p3 ， 上海大学硕士学位论文 无线传感器网络关键技术研究 第一章绪论 当计算机的运算速度突飞猛进，使数据处理和计算能力迅速提高后，当存储 器的容量无限增长，使海量存储终于得以实现时，当网络的带宽一再提升，传输 数据已变得轻而易举时，人们却发现，与这些技术的发展不协调的是信息的采集 和获取手段已大大落后了，于是，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信 技术的无线传感器网络【1 1 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 技术应运而生了。无线传感 器网络是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络。传感器网络可 实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，它是信息技术中的一个新的领域， 在军事和民用领域均有着非常广阔的应用前景，如军事侦察、环境监测、医疗监 护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等。 对无线传感器网络的研究与开发是目前信息领域的一个热点，学术界和产业 界对它的学术价值和应用前景非常看好。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不 同的层次、不同的角度对传感器网络进行了研究和开发。 1 1 无线传感器网络的兴起和发展 信息的获取是信息技术产业链和应用环节的第一步，没有它就没有信息的传 输、处理和应用，就没有信息化。传感器技术是信息获取的最重要、最基本的技 术。从目前的进展看，所有现存的事物、状态，过程和演进，都可以用物理量来 描述，这个量就含有信息，都可以用传感器来获得。传感器信息获取技术从单一 化到集成化、微型化，进而智能化、网络化，成为信息获取的新手段。 近年来在微电子机械系统( m e m s ) 、通信技术、传感器技术方面取得的巨大 成就使得发展低成本、低功耗、小体积、短通信距离的多功能传感器成为可能。 无线传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 。w s n ) 就是在这些技术之上新出现的 事物。 无线传感器网纠刁( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是由大量低成本且具有传感、 数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络。它独立于基 海上学顺十学位论z 无线* 感月络关键拉术研究 站或移动路由器等基础通信设施，通过分布式协议臼组成网络。其目的是协同地 感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并传送给观察者。 大量的传感器节点可以通过飞机布撒或人工布簧等方式部署在被感知对象 内部或者附近( 参见图1 - 1 ) - 这些节点通过自组织方式构成尤线网络，以协作疗 式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息。 图1 - 1 传感节点的布撒 f i 9 1 - 1c a s t o f s e n s o rn o d e s 无线传感网的发展士要经历了四个历程。 1 、使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点刘点传输、连接 传感控制器构成传感器网络( 2 0 世纪7 0 年代) 2 、具有获取多种信息信号的综台能力采用串，并接口( 如r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 ) 与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络( 2 0 世纪8 0 年代) 3 、用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器， 构成局域网络，成为智能化传感器网络( 2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初) 4 、第四代传感器网络i e 在研究丌发，用大量的具有多功能多信息信号获取 能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器闸络控制器连接，构成无线 传感器网络。( 本世纪至今) 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 1 2 无线传感器网络的工作原理及系统特点 1 2 1 工作原理 传感器网络是由大量的小型传感器组成的，用来监视物理环境和相关现象， 并向观测者或处理中心报告测量结果的自组织网络。传感器主要包括5 个功能部 件：传感硬件、内存、电池、嵌入式处理器和发送接收器。传感网络的目标通 常由应用决定，但是大部分传感网络都需要实现以下目标： ( 1 ) 传感网络可能需要完成多种任务，包括测量环境的温度、湿度和气压等。 因此，需要能够根据不同的任务要求选用合适的参数，包括抽样速率和消息发送 周期等。 ( 2 ) 检测相关事件的出现并估计相应的参数。 ( 3 ) 对收集到的数据进行处理和分类。 ( 4 ) 跟踪被监视的对象并能够迅速准确地将信息传送到指定的位置。 根据传感器结点在使用中是否移动，可将无线传感器网络分为静态网络和动 态网络，其中大多数是静态网络。在静态网络中，传感器结点被随机地或按一定 要求布置在监测区域内，并根据用户的要求，可对温度、湿度、噪声、光强度、 压力等环境参数进行测量，或者感知物体的运动速度和方向等。在动态网络中， 传感器结点一般被安置在可移动的物体上，如车辆或被监测的动物，它将随物体 的移动而移动。 无线传感网的系统结构【3 1 如图1 2 所示，该系统中包含四个要素分别为传感 器节点( 群) 、汇聚节点( s i n k ) 、互联网以及用户界面。s i n k ( 汇聚节点) 是中心处理 节点，也称网关节点。该节点可向区域内的传感器节点发送数据采集命令，并接 收和处理传感器节点传送来的数据。 3 l 海大学顷+ 学位论it 线传培g 目镕* 键技术研究 图1 - 2 无线传感器网络的系统结构 f i 9 1 - 2s y s t e ms t n j c t u r eo f w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s 无线传感器刖络的网络结构是组织无线传感器的成网技术。无线传感器节点 经多跳转发，通过网关接入网络，在网络的任务管理节点对传感信息进行管理、 分类、处理，再把传感信息送给应用用户使 l j 。图1 3 所示的是无线传感器终端 ( 节点) ，山采集信息信弓的传感器部什、处理存储器、( 收) 发信机、电源和相关 支持软件组成。此外可能的功能单元还包括定位系统、移动系统和电源自供电 系统等。 传露矗 配 女m m * 夭饯 存储嚣c p u 一填培接口 旦 e 图1 3 无线传感器的节点构成 f i 9 1 - 3 c o n s t i t u t i o no f w i r e l e s s s e n s o r n o d e s 传感节点的分布可以事先确定或随机选择，前者易于管理和配置，但适应性 较差；后者的适应性较强，但管理较复杂。基于此，可将传赙网络分成三类：非 传播系统、确定路由系统和自组织系统。其中，自组织系统多用于节点数量较多 的传感网络，节点位置不同定并且可以随机移动。该网络中的传感节点和路由节 点协作并借助路由协议向信息处理中心或指挥所传输数据，将这种网络称为 a dh o c 传感器网络。 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 1 2 2 系统特点 o 自组织系统一 o 口 图1 4 自组织网络 f i 9 1 - 4 s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k f j f 够材直 踹h 铬也 尽管adh o c 传感网络的实现依赖于无线adh o c 网络技术，但是许多用 于传统adh o c 网络的协议和算法并不适用于传感网络，因为无线传感器网络通 常具有以下不同于传统adh o c 网络的特征【4 - 5 】： ( 1 ) 网络中存在大量( 成千上万) 的传感节点，并且在大多数情况下传感节点 的位置相对固定，密度较高，网络拓扑变化较为频繁。因此，需要着重考虑网络 的可扩展性问题。 ( 2 ) 传感节点经常配置在偏远或危险的地区并且需要持续工作，容易被破坏 和干扰。而传感节点的寿命是由电池的能量决定，因此，需要尽量节省能量的耗 费。 ( 3 ) 对于由大量节点构成的传感网络而言，手工配置是不可行的，因此，网 络需要具有自组织和自动重新配置能力。 ( 4 ) 传感网络主要采用广播通信模式，而许多adh o c 网络是基于点到点通 信模式。 ( 5 ) 传感网络区别于adh o c 网络的一个重要特征是其目标是检测相关事件 的发生，而不是实现节点间的通信。 另外，无线传感器网络自身还具备如下固有特征： o 、 一 、 ， o o o o 上海人学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 ( 1 ) 专用传感器网络是针对某种数据采集需求而专门建立的。 ( 2 ) 高冗余为了保证网络的可用性和生存能力，传感器网络通常具有较 高的结点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。 ( 3 ) 拓扑易变化除了结点移动带来的网络拓扑变化外，传感器结点的功 率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网 络中有些结点可能进入休眠状态，从而引起工作结点在数目和分布上的变化，导 致拓扑改变。 ( 4 ) 空间位置寻址传感器网络一般不需要支持任意两个传感器结点之 间的点对点通信，传感器结点不必具有全球惟一的标识，不必采用i n t e r n e t 的i p 寻址。用户往往不关心数据采集于哪一个结点，而关心数据所属的空间位置，因 此可采取空间位置寻址方式。 ( 5 ) 流量不均衡传感器网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方 向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，结点 负载越重的现象。 ( 6 ) 结点数据融合传感器网络在数据传输过程中，通常要求中间结点能 将来自多个传感器的相关数据进行融合，再传送给处理中心。数据融合可以减少 冗余数据，节省通信所带来的电能消耗，延长网络生存时间，减轻处理中心的负 载。 ( 7 ) 结点能力有限由于低成本、低能耗、体积小、野外部署等要求，传 感器结点在供电、计算、存储、通信等方面的能力比较受限。 无线传感器网络的典型应用模式可分为两类，一类是传感器节点监测环境状 态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态报告给管理中心；一类是由 管理中心发布命令给某一区域的传感器节点，传感器节点执行命令并返回相应的 监测数据。与之对应的，传感器网络中的通信模式也主要有两种，一是传感器将 采集到的数据传输到管理中心，称为多到一通信模式；一是管理中心向区域内的 传感器节点发布命令，称为- n 多通信模式。前一种通信模式的数据量大，后一 种则相对较小。 6 上海人学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 1 3 无线传感器网络的技术问题和应用领域 1 3 1 技术问题 作为一项正在发展中的技术，无线传感器网络还有许多技术问题需要解决。 无线传感器网络的设计应能达到以下要求1 8 1 ： ( 1 ) 低能耗一氐能耗基于两种原因：一是由于传感器结点的体积小，因此 电池容量有限；二是由于传感器网络的工作环境往往难以更新电池或因更新代价 大而不可操作。结点的能耗大小对无线传感器网络的生存时间具有重大影响，是 其核心优化目标之一。 ( 2 ) 可扩展由于传感器结点可能非常多，因而要求其应用的各项技术能 有效用于大规模网络。 ( 3 ) 自适应能够适应环境、网络拓扑等动态变化以及网络的高冗余特性 等。 ( 4 ) 简单由于传感器结点的能力受限，因而现实可行的技术应简单有 效。 1 3 2 应用领域 基于具有传感或执行能力的节点，并结合计算与通信功能，我们可以实现各 种类型的应用。在应用中会使用不同类型的节点，甚至一个应用就要借助多种节 点。以下即为一些无线传感器网络的应用实例【卜9 】： 1 、环境控制和生物多样化勘测 利用无线传感器网络可以实现对环境的控制。例如，为化学污染物等垃圾物 选址。另外，通过海洋监测可以了解大陆架海域侵蚀状况，对建设近海风力发电 农场是很重要的。与环境控制紧密相关的一个应用是利用无线传感器网络研究生 活在某一区域的动植物种类的数目( 生物多样性勘测) 。 这项应用主要利用了传感器能够长期自动无线工作的特点，该特点完全适合 于观察目标。现代的工艺已经可以把传感器做的非常小，所以传感器对所观察动 7 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 植物的影响可以忽略不计。 2 、灾难预警与救助 无线传感器网络经常应用于灾难预警与救助。一个典型的例子是监测意外火 灾：为传感器节点配备温度计，而各个节点能够自动定位。例如，在森林中安装 这些传感器监测森林火警。利用传感器，消防员配备的个人数字助理( p d a ) 可以 生成监测区域的“温度地图或者确定高温区域的范围。 军事应用和某些灾难预警与救助的应用有相似之处，只是传感器的监测对象 是敌军而非意外火灾。在这种应用中，对传感器的需求量很大，所以必须降低传 感器的制造成本，而对其工作寿命的要求并不高。 3 、精细农业 无线传感器网络还可以应用于农业，即将温度土壤组合传感器放置在农田 中计算出精确的灌溉量和施肥量。该应用所需的传感器数量比较少，大约一万平 方米的面积配备一个传感器就可以了。类似的，病虫害防治得益于对农田进行高 分辨率的监测。 4 、运输 在运输方面的应用中，可以在货物中安置简易的传感器( 以私人包裹为例) ， 在运输过程中对目标货物进行简单跟踪或对商店及库存货物进行方便的管理。 在这些应用中，通常没有必要与传感器节点进行主动通信，被动读取数据就 足够了。例如，在机场里，一个手提箱在传送带上移动，经过某几个测试点。与 主动通信和信息处理相比，被动读取数据比较简便而且成本低，它是由电子标签 ( r f i d ) 束实现的。 5 、信息通信业务 与运输应用有关的是信息通信业务方面的应用，埋在街道或路边的传感器在 较高分辨率下收集交通状况的信息。这就是所谓的。智能马路”【1 0 l ，它还可以与 8 上海大学硕士学位论文 无线传感器网络关键技术研究 汽车进行信息交互，比如道路状况危险警告或前方交通堵塞之类的信息交换等。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 研究背景 近年来，随着对煤炭需求的高速增长，煤炭工业也得到很大的发展，但是煤 炭矿井中重大灾难性事故时有发生，目前尚未实现对灾害事故的有效控制。一旦 事故发生，对矿井内人员的营救效率始终无法得到根本改善。于是，人们认为， 在事故发生后，准确判定井下生产作业人员的受困位置，实时监测井下的环境情 况并及时准确地制定救援方案，确立遇险人员的撤退路线，对事故营救是十分重 要的，也是十分紧迫的任务。 基于上述考虑，无线传感器网络无疑为人们提供了一个问题的解决方案。煤 矿井下安全监测与救援系统基于无线传感器网络的无线定位和信息采集系 统就是在此背景下开始被工程人员研究与开发的。 在井下布置这样一套无线传感器网络系统后，可以对井下瓦斯进行实时数据 采集、传输和处理；对井下作业人员的方位进行实时跟踪和定位，便于出现意外 事故时进行高效紧急救援。 在得到上海市科委重点科技攻关项目“基于a dh o c 技术的井下无线安全监 测系统( 0 6 5 1 15 0 1 8 ) 的支持下，本文着力于研究无线传感器网络的节点定位技 术，设计了两种实用型无线传感器网络中的定位算法，主要侧重于降低算法复杂 度和提高定位精度两方面进行算法设计和研究，并且在软件仿真环境下进行了算 法程序撰写和性能测试，以提供算法在实际工程中的应用价值。 1 4 2 本文研究内容及主要贡献 本文的研究内容及主要贡献如下： 1 、研究分析了无线传感器网络自身定位的基本原理，从数学上推导了基于测距 的三边及多边定位的求解公式。另外，比较了无线传感器网络中两种典型定 位机制的特点并分析说明了它们各自的优缺点和适用领域。 9 上海大学硕士学位论文 无线传感器网络关键技术研究 2 、综合了接收信号强度( r s s i ) 定位技术和质心定位技术的优点，在采用对数常 态分布模型的基础上，设计了一种新型的w c l a 定位算法。该算法采用设定 r s s i 阈值门限的方法来筛选参与定位运算的信标节点，并规定较大r s s i 值的信标节点匹配较高的可信度且对节点位置的确定具有较大的决定权。仿 真结果表明，它的典型定位误差小于射频通信距离的8 ；在最优参数配置 下，定位节点覆盖率为10 0 时的最大平均定位误差上限不超过射频通信距 离的9 。该算法通信开销小，对硬件要求较低，但同时能提供相对质心定 位算法具备显著优势的定位精度，是一种经济、实用的定位方案，适用于以 区域定位为目标的实际工程应用。 3 、在n l o s 无线通信环境下，基于对数常态分布模型和无线覆盖域交叠模型， 设计了一种新的p l a 定位算法。该算法利用了n l o s 条件下“r s s i 估算得 到的节点间距离大于实际节点间距离 的特性，并在此基础上制定了基于无 线覆盖域交叠的定比例计算定位方案。仿真结果表明，在路径损耗指数为2 的情况下，定位节点覆盖率为1 0 0 时的最大定位误差小于射频通信距离的 1 ，且不超过信标节点间距离的5 ；在路径损耗指数为3 的情况下，其定 位节点覆盖率达到1 0 0 时的最大定位误差上限值不超过射频通信距离的 3 和信标节点间距离的1 5 。该算法精度高，运算复杂度适中，适用于n l o s 环境下节点硬件配置较好，并且对定位精度有较高要求的实际工程应用。 4 、利用m a t l a b 工具软件编程搭建上述两种定位算法的系统仿真平台，进行算法 的性能仿真与测试，并且分析比较了w c l a ，c l a 和p l a 之间在不同场合 下的定位性能差异，给出了具有较高直观性的定位性能曲线组图。 5 、介绍了一种基于无线传感器网络的煤矿井下无线安全监测系统并提出了其参 考设计方案；同时，给出了煤矿井下无线定位系统的一种定位方案，对方案 的构思、设计和具体实现方法作了详细的分析及说明。 1 4 3 本文内容安排 本论文的内容安排如下： 第一章概述了无线传感器网络的发展历史，介绍了无线传感器网络的定义、 1 0 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 工作原理、系统特点、技术问题以及应用领域，并对本文所基于的课题研究背景 作了说明，归纳了本文的主要研究内容。 第二章首先陈述了无线传感器网络节点定位的基本原理，在给出了三边测量 法定位模型的基础上分析并推导了基于测距的无线传感器网络三边定位和多边 定位的数学求解过程及求解表达式。随后具体介绍了无线传感器网络中的两种典 型的定位机制基于距离的定位和距离无关的定位并比较了它们各自的优缺 点。最后举例说明了一些当前研究状态下较为典型的无线传感器网络的定位系统 和定位方法。 第三章从r s s i 定位技术和质心定位技术的理论原理开始陈述，比较了此两 种定位技术各自的优势和不足，在此基础上，设计了一种结合了r s s i 技术和质 心定位技术两者优点的w c l a 定位算法。重点介绍了该算法的设计思想、设计 原理，同时给出了该算法的实现方法和运行流程，并在自定的软件仿真环境下， 对其作了较全面的性能评价。 第四章概述了n l o s 环境下r s s i 定位技术所具有的特性，并基于该特性、 对数常态分布模型和无线覆盖域交叠模型设计了一种p l a 定位算法。详细说明 了构思形成该算法的理论基础，算法思想和实现方法等，并通过软件平台的编程 仿真对其进行了性能评价。 第五章对一种基于无线传感器网络技术的煤矿井下安全监测系统作了介绍， 包括井下安全监测系统的发展及现状，井下无线传感器网络技术应用的由来等， 并提出了一种系统参考设计方案。此外，对煤矿井下无线定位系统给予了定位方 案的参考建议并对方案的构思、设计和实现方法作了较为全面的介绍，同时给出 了实际楼道环境下节点定位实验的结果。 第六章概述了全文的研究工作，并对无线传感器网络节点定位技术的未来发 展和有待于进一步深入研究的方向作了展望。 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 第二章无线传感器网络节点定位基本原理 在许多情况下，无线传感器网络中的节点需要知道自身的位置。比如，在跟 踪目标和检测突发事件中，如果无线传感器网路不能提供相应的位置信息，那么 这些功能将没有实际意义。为了完成以上功能，网络节点必须知道自身的位置。 传感器节点通常随机部署，以自组织的方式相互协调工作，定位必须在部署 后完成。全球定位系统g p s 1 1 , 1 2 ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是目前应用最广泛的 定位系统，但是其体积大、成本高、能耗多和需要基础设施，不适用于低成本、 自组织的无线传感器网络，或者只有少数节点配备g p s 来确定自身位置，作为 其他节点定位的参考。在无线传感器网络中，节点规模大、能量有限、可靠性差、 随机部署、无线模块的通信距离有限，这通常要求定位机制具备自组织性、健壮 性、能量高效、分布式计算等特点。 2 1 无线传感器网络节点定位的基本概念 传感器网络节点自身定位【1 3 , 1 6 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。根据节点是否己知自身的位置，节点可以分为信标节点( 锚 节点) 和未知节点。信标节点通过携带g p s 定位设备等手段获得自身的精确位 置，在网络节点中占的比例很小。不是信标节点的其它传感器节点就是未知节点， 它们通过信标节点来确定自身位置。 节点定位通常分为两个步骤：第一步是确定未知节点到信标节点的距离或方 位；第二步是在确定未知节点和若干新标节点的距离或方位后，通常使用三边测 量法【2 1 1 、三角测量法【1 8 】、极大似然估计法【19 】来最后计算节点位置。 最典型的三边测量法( t r i l a t e r a t i o n ) 的模型如图2 1 所示，已知三个信标节点 的坐标分别为( x 1 ，y 1 ) 、( x 2 ，y 2 ) 、( x 3 ，z 3 ) 以及它们到未知节点的距离分别为一， 陀，陪，计算未知节点的坐标( x ，y ) ，理论上未知节点在三个圆的交点上。 无线传感器网络中，根据定位过程中是否实际测量节点间的距离可以把定位 机制分为：基于距离i 拘( r a n g e b a s e d ) 定位机制和距离无关( m n g e - f r e e ) 定位机制。 1 2 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 图2 1 三边测量法 f i 9 2 1t r i l a t e r a t i o n 2 2 测距定位的数学原理 测( 多) 边是无线传感器网络节点定位中应用最为广泛的方法，它能够确定节 点的大概范围，本节将重点对测边定位的数学原理给予分析和解释。 在二维空间中，知道了一个点到3 个或3 个以上锚节点的距离，就可以确定 该点的坐标。上述的三边测量定位法的基本原理就是求3 个已知半径和坐标圆心 的圆的交点。 然而，实际应用和理论分析总是有所不同，在实际情况下，由于节点间测距 存在误差，图2 1 中的3 个圆往往无法交于一点，为求解得到估计坐标与实际坐 标差异最小的点的坐标，常常使用最小二乘估计的原理来求得未知节点坐标的估 计值。 2 2 1 三边定位与求解 假设有三个锚节点，位置坐标分别为( ，只) ，i = 1 ，2 , 3 ，未知节点的坐标为 上海入学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 ( 吒，y 。) ，与三个锚节点的距离为，i = 1 ，2 , 3 。根据毕达哥拉斯定理( p y t h a g o r a s ) 定理，f 歹u 方程组成立： ( 再一屯) 2 + ( 乃一咒) 2 = 2 ，( f = 1 ，2 ，3 ) ( 2 - 1 ) 为了求解这个方程组，把它转换成关于毛和咒的线性方程组。因此需要消 除二次项和z 。从前面两个方程中减去第三个方程，得到两个剩下的方程为： ( 五一吒) 2 一( 屯一吒) 2 + ( m 一以) 2 - ( y 3 一此) 2 = ，i 2 一孑 ( 2 2 ) ( 而一吒) 2 一( 毛一吒) 2 + ( 儿一儿) 2 - ( y 3 - y 。) 2 = 孑一孑 ( 2 3 ) 对式( 2 2 ) 和式( 2 - 3 ) 进行整理后可以得到： 2 ( x 3 一五) 毛+ 2 ( y 3 - y 1 ) y 。= ( 2 - 4 ) - ( g - x ；) - ( y 卜) ( 2 - 4 ) 2 ( x 3 一恐) 毛+ 2 ( y 3 - - y 2 ) y = ( 牙一乎) 一( 一豸) 一( 建一秀) ( 2 5 ) 上式可以很容易改写为线性方程组： 2 x 3 - x i ! y 乃3 - 一y 乃： j f - l y 吒 = 善一- 霉，一。薹一薹，一- 。( 妻y l 一- 要y 3 ) ， c 2 - 6 ， 经过这样的一系列变换和整理后，等式的左边和右边都只剩下已知常数了。 即未知节点( 毛，y 。) 的坐标值就可以确定了。 2 2 2 多边定位与求解 上节所述的是理想无误差情况下的测边定位的求解计算方法，在该理想条件 下，已知三个锚节点的信息就可以完成定位计算。 然而，三边测量的实际情况是：测量距离不是完全准确的，而是估计，带有 位置误差s 。利用户= ，：4 - s 来求解上节中罗列的方程组不能得到正确的坐标值。 于是，解决这个问题的比较有效的方法就是利用更多的锚节点和相应的距离 测量值来参与到未知节点的定位求解中。在数学上，式( 2 6 ) 就成为了一个超定方 程，形式如下： 1 4 上海大学硕士学位论文 无线传感器网络关键技术研究 2 医捌叫。= 兰翟22 二2 ( 2 忉 其中a = 2 e ，x 1yy = m 其 中 = i i； i ， = ri ， l 矗一吒一。一川j 。 i ( ，i 2 一彳) 一( 彳一) 一( 彳一y 2 ) i b = l j i 。 l ( 亡。一# ) 一( 一。一2 ，弋y 州2 一一) i 使得0 朋一圳：最小。j | l ：是2 的范数，最小化2 范数表示未知节点的坐标以最小 为了对这个最小化问题求解，先研究2 范数的性质，对于矢量v ，有i = v r v 。 l i 朋一锤= ( a x 一6 ) 7 ( 朋一6 ) = x 7 1 a7 a x 一2 x7 a 7 b + b 7 b ( 2 _ 9 ) 上海大学硕士学位论文无线传感器网络关键技术研究 2 3 两种定位机制 “：fata)x a。1 a r b= f “。 ( 2 1 1 ) 除了应用于目标跟踪，无线传感器网络的定位还可以为其它一些应用提供位 置信息，比如分布式事件记录，基于位置的路由协议，节点的部署覆盖等。为实 现这些服务，研究人员提出了许多用于无线传感器网络的定位算法。现有的定位 算法根据是否需要采用绝对的距离和角度信息来进行位置估算可分为基于距离 的定位机制和距离无关的定位机, 韦i j ( 2 12 2 1 。 2 3 1 基于距离的定位 基于距离的定位机制是通过测量相邻节点问的实际距离或方位来计算未知 节点的位置，通常采用两个步骤来得到节点较准确的位置信息：一是距离或角度 的获取，二是估算位置信息。前者通过一些测距( 包括测角度) 方法进行，后者采 用一些数学上的估算方法来