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Amorphous定位算法仿真与分析毕业论文目 录中文摘要I英文摘要II第1章 绪 论11.1课题背景及意义11.2课题现状及发展趋势21.3本文主要内容及文章组织结构5第2章 无线传感器网络62.1 无线传感器网络的特点62.2无线传感网络的体系结构72.2.1无线传感器网络的物理体系结构92.2.2无线传感器网络的软件体系结构92.2.3无线传感器网络的协议层102.3无线网络的核心技术112.4无线传感器网络的应用领域122.5无线传感器网络的性能评价132.6本章小结15第3章 无线传感器网络的定位算法163.1无线传感网络节点定位概述163.2定位算法的基本术语163.3定位算法的分类173.4定位算法的性能分析183.5节点位置的计算方法203.5.1三边测量法203.5.2三角测量213.5.3极大似然估计法223.5.4最大最小法233.6 Amorphous定位算法233.6.1 Amorphous定位算法基本原理243.6.2 Amorphous定位算法流程图及仿真图253.7本章小结25第4章 Amorphous定位算法仿真与分析264.1网络环境仿真的设置264.2无线传感器网络仿真特点264.3节点部署274.3.1节点部署的基本原理274.3.2节点部署的评价指标284.4 Amorphous定位算法的仿真与结果分析294.4.1不同节点部署的对比分析294.4.2 Amorphous定位算法仿真中通信模型的分析324.4.3 Amorphous与其RSSI、MDS-MAP算法的对比分析374.5本章小结41第5章 总结与展望42致谢43参考文献44摘 要传感器节点的位置信息在无线传感器网络的监测活动等应用中起着至关重要的作用。而取得节点位置信息较简便、快捷、精确的方法是通过手动设定或携带GPS定位设备等手段，但通过这种方式获取的成本很高。因此，较好的方法是采用定位算法进行估计。节点定位是无线传感器的基本功能之一。节点定位大多利用已知的位置的节点，按照某种定位机制确定自身位置。传感器节点定位过程中，未知节点在获得与邻居锚节点的距离，或获得邻近的锚节点和未知节点之间的相对角度后，通常使用三边测量法，三角测量法、极大似然估计法或最小最大法来计算自身的未知。本文将主要研究关于无线传感器网络中的Amorphous定位算法进行仿真与分析。在 Matlab仿真平台进行仿真，首先从Amorphous定位算法的仿真的参数设置中针对不同的节点部署、通信传播模型进行对比分析从定位精度，网络连通性等方面做出比较分析，以达到不同环境最适合的参数设置。最后，针对基于测距的RSSI定位机制和与距离无关的Amorphous定位算法进行比较对比，分析出Amorphous定位算法的优势，同时也提出有待发展和提高的相关点。关键字：无线传感器网络,节点定位,Amorphous,仿真与分析ABSTRACTSensor node location information plays a vital role in monitoring the activities of wireless sensor networks applications. Node position information obtained over the simple, fast and accurate method is to manually set or portable GPS positioning equipment and other means , but the high cost of obtaining this way . Accordingly, a method is used to estimate the ocation algorithm .Node localization is one of the basic functions of wireless sensors. Most of the known node localization node position to determine their position according to some positioning mechanism. Sensor node localization process, the unknown nodes in getting away with neighbors anchor nodes , or to obtain the relative angle between adjacent anchor nodes and unknown nodes, typically use trilateration , triangulation method , maximum likelihood estimation method method to calculate the maximum or minimum itself is unknown.This article will focus on research on wireless sensor networks Amorphous localization algorithm simulation and analysis . In the Matlab simulation platform for simulation , the first set of parameters from the simulation of Amorphous positioning algorithm were analyzed for different node deployment , make a comparative analysis of the propagation model of communication from the positioning accuracy , network connectivity , etc., in order to achieve the most suitable for different environments parameter settings.Finally, the positioning mechanism based on RSSI ranging and Amorphous location algorithm compares the distance -independent comparative analysis of the advantages of Amorphous positioning algorithm, but also needs to be made to develop and improve the relevant point .Keywords：Wireless sensor networks, Node localization, Amorphous, Simulation and Analysis57第1章 绪 论1.1课题背景及意义无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等技术，由许多相同或不同类型传感器节点通过无线通信实现自组织，形成分布式自治网络。它打破了传统的点对点的数据信息交互方式，带来了一种全新的信息获取和处理模式。无线传感器网络由许多小、价格低的传感器节点构成，它们被撒播在监测范围中，利用无线通讯自组织成为具有多跳的系统。WSN能够感应、获取监测范围内的数据，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。由于监测是一个长期与漫长的过程，一般情况下，监测范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。而全球定位系统是目前使用最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是定位适应于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高且体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等。人工部署和为所有网络节点安装GPS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，这使得它不适用于低成本自组织的传感器网络，因此必须采用一定的机制与算法实现WSN的自身定位。节点定位是无线传感器网络的基本功能之一。在无线创年期网络的各种应用中，测到网络中某个地方时间发生时，它所关心的一个重要的问题就是该事件发生的位置。因此，确定事件发生的位置或确定获取消息的节点位置是无线传感器网络所必须具备的一项功能，对无线传感器网络的应用的有效性起着至关重要的作用。同时了解传感器节点位置信息还可以协助路由，提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置等网络管理。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置尤为重要，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。随着计算机技术、微电子技术和通信技术的进步，传感器已朝着集成化、微型化、智能化和低能耗的方向快速发展，使其能够在较小体积内集成信息采集、数据处理和信息的传输等多种功能，这为无线传感网的产生和发展奠定了基础。无线传感网是由部署在监测区域内大量廉价微型的具有有限数据处理能力和装备，有低能耗无线信号收发器的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，其目的是利用网络节点协作地感知和采集网络覆盖区域内感兴趣的信息，并发送给观察者。无线传感网具有布线成本低、监测精度高、系统容错性好、可远程监控以及便于诊断与维护等众多的优点，它的产生解决了传统传感器网络在应用中遇到的安装、维护等方面的种种困难。其在军事、工业、医疗、交通、环保等领域有着广阔的应用前景。如果说互联网改变了人与人之间的信息交流方式，那么，无线传感网的产生将改变人与自然界的交互方式。因此本文所研究的与距离无关的Amorphous定位算法对无线传感器的网络的发展具有很重要的意义。1.2课题现状及发展趋势 1996年，美国UCLA大学的WilliamJKaiser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GregoryJPottie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ACMTransaction 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。中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动化领域研究报告中。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项，国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目，国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量(功率)供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。目前比较成熟并得到应用大范围推广的无线定位技术是GPS卫星定位系统。对于WSN,其传感器分布比较集中,网络结点较多,人工部署和所有网络节点安装GPS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无法实现,因此必须利用无线通信机制与定位求解算法实现WSN的自身定位。基于目前移动信标的定位算法是近年来的研究热点。由于网络定位算法大多依赖于信标节点的密度，网络的联通性。而信标节点的造价数倍甚至十几倍于普通节点，所以其定位成本较高。而移动信标节点通过引入一个可在网络中漫游移动的节点来广播自己的位置信息构成虚拟信标，从而可以降低定位成本，提高定位效率。所以移动信标的定位算法近来成为新的研究热点，国内外许多学者进行了许多的研究，基于移动信标的定位算法主要研究问题是如何将移动信标与现在的定位算法结合，研究构造的虚拟信标的动态选择算法及移动信标的移动路径的规划。为此，国内外有许多学者把移动信标与经典的质心定位算法、APIT定位算法、Amorphous定位算法及RSSI定位算法等相结合来改进这些定位算法，而Amorphous定位算法和APIT定位算法因为无需测距有着更多的优势也得到更多的研究。无需测距（range-free）的定位算法不需要直接测量距离信息，而是根据网络的连通性确定网络中节点之间的跳数，同时根据已知位置参考节点的位置等信息估计每一跳的大致距离，然后估出节点在网络中的位置。典型的无需测距的定位算法有MDS-MAP定位算法，APIT定位算法、质心定位算法、Amorphous定位算法等，它们所需的网络模型都是由参考节点和未知位置的节点组成。国内外对于移动信标的定位方法及信标的移动路径的规划研究处于起步阶段，相关的文献并不多，提出的算法也不够成熟。到目前为止国内外机构和大学已经开发出很多像很熟的无线传感器网络定位系统，典型的室内定位系统有RADAR、active badge、active office等。在设定定位系统时，可以参考借鉴一些典型的定位系统的设计原理和设计方法。开发室内定位系统时需要考虑网络的基础设施、定位技术、节点通信方式、锚节点密度、测距误差、通信开销和计算开销等影响定位的因素，权衡地安慰精度和成本、开销之间的关系，设计合理的定位系统。1.3本文主要内容及文章组织结构本课题主要是在MATLAB平台上对Amorphous定位算法进行仿真分析，首先是针对Amorphous定位算法设置不同的参数（即节点部署和同通信传播模型）进行自身仿真分析，然后再针对Amorphous定位算法与RSSI20定位机制和MDS-MAP定位算法的对比分析。本文共分为五章，组织结构安排如下： 第一章 绪论，介绍课题相关的背景和意义，阐述了发展现状及趋势，明确了论文的主要内容和工作。第二章 无线传感网络，对无线传感器网络的特点、体系结构以及核心技术、应用领域以及性能评价等方面做出了具体介绍。 第三章 无线传感器的定位算法，主要针对Amorphous定位算法的基本原理及实现过程做出了详细介绍，同时对所涉及到的定位算法的分类、性能评价及节点定位算法进行了详细介绍。 第四章Amorphous定位算法的仿真与分析，这是本文的核心所在，首先是从正方形区域内随机均匀分布和正方形区域内网络状节点分布两种不同的节点部署对Amorphous定位算法连通性和定位误差的影响进行研究分析。然后再通过Amorphous定位算法与RSSI定位机制和MDS-MAP算法进行对比分析，重点突出Amorphous定位算法的优势及特点。第五章 总结与展望，对本课题的内容的一个总结和Amorphous定位算法还有待发展和进一步的研究内容提供一个参考的方向。第2章 无线传感器网络无线传感器网络（WSN：Wireless Sensor Network） 是新兴的传感器网络，是分布式自组织网络。无线传感器网络与现有的传统无线网络有相似之处，但也存在很大的差别。无线传感器网络欧大量的微型传感器节点组成，并通过无线通信的方式形成一个自组织的智能网络系统，能够实时监测、感知和采集所监控的内的各种环境或检测对象的信息，并对这些信息进行处理，将获取到的信息发送到任务管理节点或者需要这些信息的用户。下面将介绍一些关于无线传感器网络的基本概念和特点。2.1 无线传感器网络的特点无线传感器网络作为一种新型的信息回取系统与普通的网络不同，具有自己的特点：比如能量受限，通信方式以数据为中心，相邻节点的数据具有相似性，拓扑结构也在不断的变化等。无线传感器网络可以看成是由数据获取网络，数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各个节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。WSN是许多科学交叉的新兴前沿研究热点技术，它综合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信和网络技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，具有低功耗、多节点分布式协作地特点。作为一种独特的网络，无线传感器网络具有以下显著的特点5。(1)传感节点体积小,成本低,计算能力有限无线传感器网络是在MEMS技术、数字电路技术基础上发展起来的,传感节点各部分集成度很高,因此具有体积小的优点,当然从应用角度讲,减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。传感网络是由大量的传感节点组成的,单个节点的成本直接影响到网络的总体成本,如果总体成本比使用传统传感器的成本高,势必会影响无线传感网络的竞争力。由于体积、成本以及能量的限制,嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限,因此传感器的计算能力十分有限。(2)传感节点数量大、易失效,具有自适应性根据应用的不同,传感器节点的数量可能达到几百万个,甚至更多。此外,传感器网络工作在比较恶劣的环境中,经常有新节点加入或已有节点失效,网络的拓扑结构变化很快,而且网络一旦形成,人很少干预其运行,因此,传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性,相应的通信协议必须具有可重构和自适应性.(3)通信半径小,带宽很低无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输,因此其设计的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同,传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据,因此流量较小。根据目前观察到的现象特性来看,传感数据所需的带宽将会很低(1100kbit/s)(4)电源能量是网络寿命的关键无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,能源无法替代,只能选择纽扣式电池供电,电源能量极其有限,网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃,因此电源效率是设计考虑的关键因素。(5)数据管理与处理是传感器网络的核心技术对于观察者来说,传感器网络的核心是感知数据,而不是网络硬件。比如在智能家居应用中人们可能希望知道“现在客厅的温度是多少”,而不会关心“2号节点感测到的温度是多少”。以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心,把数据库技术和网络技术紧密结合,从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统,使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。2.2无线传感网络的体系结构无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用、在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人、其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。本文对无线传感器网络体系结构进行了较为深入的研究，从物理体系结构、软件体系结构和协议层6三个层面进行了分析。无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点、传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如图2.1所示。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。图2.1 无线传感器网络的体系机构传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。2.2.1无线传感器网络的物理体系结构传统的无线传感器网络采用“平坦”结构，部署在监测区域中用于数据采集的微型传感器节点同构，每个节点的计算能力、通信距离和能量供应相当。节点采集的数据通过多跳通信的方式，借助网络内其他节点的转发，将数据传回到汇聚节点，再通过汇聚节点与其他网络连接，实现远程访问和网络查询、管理。平坦结构的网络虽然能够工作，但随着节点数量的增加，网络覆盖范围的扩大，长的通信路径将导致数据包丢失的概率增大，网络性能下降，也会导致用于转发数据的中间节点更多的能量消耗，降低网络生存周期。根据IPv6无线传感器网络的特点，实际应用中一般采用异构节点组成的、层次化的网络，如图2.2所示。 图2.2 异构、层次化的无线传感器网络2.2.2无线传感器网络的软件体系结构 无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层，其中网络适配层和基础软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中)的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构(支持应用业务的开发与实现)。网络适配层：在网络适配层中，网络适配器是对无线传感器网络底层(无线传感器网络基础设施、无线传感器操作系统)的封装。基础软件层：基础软件层包含无线传感器网络各种中间件。这些中间件构成无线传感器网络平台软件的公共基础，并具有了高度的灵活性、模块性和可移植性。网络中间件：完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通性服务等。配置中间件：完成无线传感器网络的各种配置工作，例如路由配置，拓扑结构的调整等。功能中间件：完成无线传感器网络各种应用业务的共性功能，提供各种功能框架接口。管理中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种管理功能，例如目录服务，资源管理、能量管理、生命周期管理。安全中间件：为无线传感器网络应用业务实现各种安全功能，例如安全管理、安全监控、安全审计。2.2.3无线传感器网络的协议层 传感器网络需要根据用户对网络的需求设计适应自身特点的网络体系结构，为网络协议和算法的标准化提供统一的技术规范，使其能够满足用户的需求。无线传感执行网络协议体系结构如图2.3所示。协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。而网络管理面则可以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面，管理面的存在主要是用于协调不同层次的功能以求在能耗管理、移动性管理和任务管理方面获得综合考虑的最优设计。图2.3 无线传感器网络应用系统结构(1)物理层无线传感器网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络主要使用无线传输。(2)数据链路层数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制。数据链路层保证了无线传感器网络内点到点和点到多点的连接。(3)网络层网络层负责路由协议发现和维护，主要功能包括分组路由、网络互联、拥塞控制等，是无线传感器网络的重要协议层，也是目前研究的热点之一(4)传输层和应用层传输层用于无线传感器网络访问接入Internet或其它外部网络，为上层应用提供节能、可靠、实时性高的数据传输服务是今后的研究重点；应用层与具体的场合和环境密切相关，主要任务是获取数据并进行初步处理，它包括一系列基于监测任务的应用程序。2.3无线网络的核心技术无线传感器网络的核心技术13主要有以下几点：(1)无线自组网技术无线自组网技术是一种没有预定节点角色的自组织可重构的多跳无线网络技术。在该网络中，网络的拓扑、信道的环境都随节点的移动或状态改变而动态改变。无线自组网技术具有以下特点：自组织性、动态变化的网络拓扑、多跳路由技术。(2)拓扑控制技术组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现无线传感网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构阅切换；空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果闱；逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。无线传感技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的通信的同时保证传感节点的能量耗费的高效性。(3)物理层访问控制技术物理层访问控制技术主要解决无线网络中普遍存在的通信冲突和数据传输的丢包问题。通过控制网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量的目的。目前，物理层主要使用的访问控制技术包括：无线传感节点MAC层睡眠机制、时分复用机制和频分复用机制等，较具代表性的技术有：无线传感最经典的基于睡眠的MAC协议SMAC；Ahn Gs等研究的时分复用技术辑；Rajendran V等研究的无竞争访问方法。(4)跨层传输技术无线传感网络中的数据流向与Internet相反：在Internet网络中，终端设备主要从网络上获取信息，而在无线传感网络中，无线传感节点需要向高层网络(如Internet)提供实时信息。因此，无线传感跨层网络协议有自己的独特跨层要求。一方面，由于无线传感网络中对能量效率的苛刻要求，无线传感节点需要使用跨层服务协议，选择最优化的数据跨层传输路径来完成节点数据的转发。另一方面，高层网络也需要将监控任务信息及节点控制信息传送到无线传感网络中的特定节点。因此，高能效的跨层数据传输协议是无线传感网络研究的核心技术。(5)传感网络可靠性测评技术传感网络可靠性测评技术是无线传感网络推广应用的关键技术。传感网络可靠性测评技术需要对无线传感网络中数据传输的可靠性和信息服务的可信性进行测试和评估。无线传感网络中存在大量的无线传感节点，每个传感节点都需要在恶劣工作环境和长时间的工作条件下完成监测和数据采集任务，无线传感网络中普遍存在传感器的数据采集误差或功能失效、节点计算和网络通信传输的误差、岐变等故障或错误。这些故障的发生可能造成大量人身伤害或财务损失。因此，如何对无线传感网络的可靠性进行检测和评估也是该领域研究的核心技术。2.4无线传感器网络的应用领域目前，传感器网络已经获得了广泛的应用，可以说已经覆盖了社会的各个领域。本文选择其中几个重要无线传感网络的应用领域13简单介绍一下(1)军事防御军事传感器网络探测和获取敌军情报。由于战场情况复杂，如果靠人去收集敌方情报是很危险的，而通过将传感器网络放置在敌军阵地却可以安全地获得精确的信息，同时也不容易被敌军察觉。在士兵、装备及军火上加装传感器以供识别，分清敌我，防止误打。监控战场上的状态。通过飞机空投等方式将大量廉价微型的传感器节点散布在预定区域，通过这些传感器节点实时监测周围环境的变化，并将监测到的数据通过卫星信道等方式发回基地，这样就可以实时地监控战场上的状态。跟踪射击对象的位置。通过传感器节点对射击对象的跟踪、定位，实现精确制导。探测及判定化学、生物、放射、核子等物质和攻击。利用传感器网络及时、准确地判断是否有生化武器及核武器的攻击，确定生化源、爆炸中心的位置，为军队提供反应时间，从而最大可能地减小伤亡。(2)医疗卫生无线传感器网络在医疗研究、护理领域也是大有所为。例如，在住院的病人身上安装上具有特殊用途的传感器节点，医生就能随时了解到病人的情况，进行远程监控，了解他们的身体情况，如血压、脉搏等等，一旦发现有危险，就能在第一时间进行救助。因此，利用无线传感器网络不仅能快速、方便的使病人得到医治，而且还大大的减轻了护理人员的负担(3)反恐抗灾美国911事件的发生，使反恐成为各国普遍关注的问题。反恐问题主要是要及时的收集信息，加强对周围环境的监测，能够及时有效地应对突发事件，将传感器网络技术应用于反恐问题，可以有效地放置恐怖袭击事件的发生。(4)其他应用无线传感网络还被应用于其它一些领域。如井矿、核电厂等危险的工业环境，工作人员可以通过它来实施安全监测；也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具，此外还可以运用到工业自动化生产线等诸多领域。Intel正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这个无线传感网络组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件，它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。2.5无线传感器网络的性能评价如何评价无线传感器网络的性能11对于无线传感器网络的设计和应用都非常重要。系统性能评价指标必须结合传统网络的性能指标，同时，根据无线传感器网络的特点还要求其必须具有适合自己的性能评价指标。通常来说，无线传感器网络性能的评价标准包括通信性能、能耗控制、基础功能实现、感知精度和容错性等5个方面。(1)通信性能评价通信网络性能的常用指标包括吞吐量、信道容量、链路利用率、节点利用率、系统平均响应时间、包延迟时间、延迟抖动和丢包率等。网络对象和网络承载业务不同，评价网络通信性能的主要指标也不同。无线传感器网络的核心功能是对目标属性的实时感知能力，强调节点间的协同处理，主要性能指标有吞吐量、丢包率、延迟、容错性和响应时间等。(2)能耗控制能耗控制中最直接的评价指标是网络生存期。网络生存期有两类定义：以网络中第一个节点能量耗尽而失效的时间为标识的I类网络生存期；以网络中源节点变为孤立节点，即无法对邻居节点传递任何数据(邻居节点能量耗尽，无法工作)的时间为标识的II类网络生存期。无线传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的时间。影响传感器网络生命周期的因素很多，既有外界因素也有内部因素，但主要来自内部的硬件因素和软件因素，需要进行深入研究。其中，硬件因素有节点能源供应的情况，CPU、存储器、无线通信模块的能耗情况等；而软件因素有通信协议栈的设计、基于应用的数据融合算法等。在设计无线传感器网络的软、硬件时，我们必须充分考虑能源的有效性，最大化网络的生命周期。假定网络节点失效和拓扑变化仅因节点能量消耗殆尽引起，网络生存期可通过尽量降低节点能耗和均衡网络能量消耗来延长。(3)基础功能实现无线传感器网络在不同应用环境中要求完成不同功能，但仍可抽取并定义不同应用共有的基础功能，如目标对象的属性值测定、感兴趣事件的检测和参数估计、目标对象的分类和识别、目标对象的定位和跟踪等。因此，常用的基础功能评价指标有属性估计误差、事件监测概率、目标误检率、定位精度和误差等。(4)感知精度无线传感器网络的感知精度是无线传感器网络中特别重要的一个参数，是指观察者接收到的感知信息的精度。传感器自身的感知能力、精度和传感器节点的信息处理方法、通信能力、通信协议等都会对网络的感知精度有所影响。感知精度、延迟和能量消耗之间有着密切的关系，通常较高的感知精度会导致更大的时间延迟和能量消耗。在无线传感器网络设计中，我们需要权衡三者的得失，使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度、降低网络延迟。(5)容错性由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是困难或不可能的。这样传感器网络的软、硬件必须具有很强的容错性，以保证系统具有高强度性。综上所述，无线传感器网络的性能指标不仅是评价无线传感器网络的标准，也是无线传感器网络设计的优化目标，为了使对无线传感器网络性能的评价有更加科学合理的标准，在此方向上的研究还有大量的工作需要去做2.6本章小结本章主要对无线传感器做了一个基本的介绍，主要是关从无线传感器的概念、特点、体系结构、核心技术和应用领域等方面来介绍了关于无线传感器的相关内容。第3章 无线传感器网络的定位算法关于无线传感器网络的定位问题分为两类，一类是无线传感器网络对自身传感器节点的定位，另一类是无线传感器网络对外部目标的定位。本文主要讨论前者。获得节点位置最直接的一个直接想法就是利用GPS来实现。但是，在无线传感器网络中使用GPS来获得所有节点的位置受到价格、体积、功耗以及可扩展性等因素限制。因此，本论文的目前主要的研究工作是利用传感器网络中少量已知位置的节点来获得其他未知位置节点的位置信息。3.1无线传感网络节点定位概述在传感器网络中，节点定位技术就是无线传感器网络节点通过某种方法在基于已知节点位置信息的情况下来计算和确定未知节点或者目标节点的坐标位置的技术。在应用中，只有知道节点的位置信息才能实现对目标信息的监测，这就需要监测到该事件的多个传感器节点之间相互协作。只有正确的节点定位才是提供监测对象信息的前提。节点定位得到了研究机构和大学的重视，到目前为止已经研究出了许多适用于无线传感器网络的定位技术，这些节点的定位技术和方法与无线传感器网络的具体应用有关，适用于不同的应用场合。下面从节点定位的基本概念、节点位置的计算方法、定位算法的分类和性能分析等方面分析目前无线传感器网络的节点定位的实现原理和发展现状。3.2定位算法的基本术语信标或信标节点：有的文献也称作灯塔节点、锚节点、参考节点等，可通过配置GPS接收器或人工配置等手段自主获取位置信息，为其它节点的定位提供基准信息。普通节点：也称作定位节点或待定位节点，预先不知道自身位置，需要使用信标节点信息，运行一定的定位算法得到估计位置的节点。在无线传感器网络中，除去中心节点和信标节点，剩余就是普通节点。邻居节点:传感器节点通信半径内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。跳数(hop count):两个节点之间间隔的跳段总数，称为两个节点间的跳数。跳段距离(hop distance):两个节点之间间隔的各跳段距离之和，称为两节点间的跳段距。接收信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndicator,RSSI):节点接收到无线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。到达时间(Time of Arrival,TOA):信号从一个节点到另一个节点所需要的时间，称为信号到达时间。到达时间差(Time Difference Of Arrival,TDOA):两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差，称为信号的到达时间差。到达角度(Angle Of Arrival,AOA):节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度。视线关系(Line Of Sight,LOS):两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信，称为两个节点间存在视线关系。3.3定位算法的分类目前无线传感器网络自身定位系统12和定位算法非常多，下面就对这些算法进行分类：(1)基于测距的定位和无需测距的定位根据定位过程中是否需要测量节点之间的距离，把定位算法分为两类，一个是基于距离的(Range-based)定位算法，另一个是距离无关(Range-free)的定位算法。基于距离的定位算法需要使用相邻节点之间的绝对距离，这就需要特殊的硬件系统来测量网络中的节点之间的距离，这是一个经济可行的定位方法。距离无关(Range-free)的定位算法不需要测距，该算法仅仅依赖节点所接收到的通信信息，并且在锚节点的配合下利用包括质心算法、APIT算法、DV-Hop算法和Amorphous算法等算法来实现定位功能。(2)分布式定位和集中式定位分布式定位算法是将集中的计算量均匀分配给每个未知节点，这些节点通过和邻近节点的通信进行信息交换来估算自身的位置。集中式定位算法就是指在传感器网络中，中心节点（一般为计算机）来计算未知节点的位置，其他节点负责将数据信息发送到中心节点。集中式定位算法相比分布式定位算法有着自身的优势，它可以从全局的角度来统筹规划，并且它的计算量和存储量没有限制，能够实现精确定位。但是它的缺点是由于通信能量消耗大，可能会造成节点能量过早消耗完，从而使得网络通信中断。而分布式定位算法实现了分布式计算，便于系统扩展。(3)相对定位与绝对定位相对定位通常是以无线传感网络中部分已知位置的节点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。绝对定位和物理定位相类似，绝对定位的结果是一个精确的坐标位置，例如经纬度。绝对定位受节点移动影响较小，该技术有更广泛的应用领域。(4)紧密耦合与松散耦合紧密耦合定位系统指锚节点要被精确的部署在固定位置，并且他们要通过优先媒介连接到中心控制器，而松散型定位系统的锚节点就不需要中心控制器，采用分布式无线协调方式。3.4定位算法的性能分析目前运用了许多不同类型的无线传感器网络定位算法和系统，由于应用背景和网络模型不尽相同，怎样评价一个方法的性能没有统一的标准，下面讨论几个定位算法常用的评价标准11：(1) 定位精度是定位算法或者系统的首要评价指标,一般用误差值与节点无线射程的比例来表示。在许多定位算法中都致力于定位精度的提高，除了算法本身外，定位精度受测距误差影响较大。然而由于传感器网络应用范围较广，不同的应用可以有不同的精度级别要求，可以在精度和能耗、计算复杂度等方面做一个平衡。例如，定位精度为20%表示定位误差相当于节点无线射程的20%。也有部分定位系统将二维网络部署区域划分为网格,其定位结果的精度也就是网格的大小，如微软的RADAR，Wireless Corporation的RadioCamera等。(2) 可扩展性通常是算法设计中的一个重要因素。由于节点规模较大，加上由于能量耗