計算機網(wǎng)絡原理論文模板

1、無線傳感器網(wǎng)絡的定位算法綜述林海燕（三明學院 數(shù)學與計算機科學系 07數(shù)媒）摘要：作為一種全新的信息處理和獲取技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡廣泛的在應用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復雜的追蹤任務和大規(guī)模監(jiān)測,介紹了無線傳感器網(wǎng)絡算法的性能評價標準和自身定位系統(tǒng)及分類方法, 著重講述了近年來該領(lǐng)域具有代表性的算法及系統(tǒng)的特點和原理,并指出未來研究的方向.關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡;節(jié)點定位;定位算法; 仿真系統(tǒng).引言隨著微機無線通信、數(shù)字電子技術(shù)和電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)在目標追蹤、軍事應用、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索等領(lǐng)域都廣泛得到應用 1,2 。節(jié)點位置信息的基礎是無線傳感器應用網(wǎng)絡,節(jié)點定位

2、3 技術(shù)在具有無線傳感器網(wǎng)絡中重要的地位。在應用中,明確傳感器節(jié)點自身位置才能詳細說明“在什么區(qū)域或位置發(fā)生了什么特定的事件”,不知道傳感器位置所感知的數(shù)據(jù)是沒有多大的意義。對外部目標的追蹤和定位?？梢蕴岣呗酚尚蕪牧私鈧鞲衅鞴?jié)點位置信息可知,提供命名空間的網(wǎng)絡,報告網(wǎng)絡的覆蓋,實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的自配置及網(wǎng)絡的負載均衡以.現(xiàn)有的定位方法大多數(shù)都包含兩個基本過程: 計算定位;節(jié)點間的角度(或距離)測量。1節(jié)點定位計算方法 把未知節(jié)點即需要定位的節(jié)點;通過已知位置即錨節(jié)點，鄰居節(jié)點即是可直接通信的節(jié)點，必須是一個節(jié)點通信半徑內(nèi)。在獲得自身未知節(jié)點到3個或3個以上錨節(jié)點的(角度或距離)后可以采用三邊測量

3、法、三角測量法、最小最大法計算自身的位置或極大似然估計法。1.1基本概念定位節(jié)點算法的目的，讓所有鄰居節(jié)點之間的測量距離值，計算未知節(jié)點的位置，使其能與相一致的測距結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡定位節(jié)點技術(shù)的中涉定義及到的定位一些基本概念如：（1）鄰居節(jié)點（neighbor node）在一傳感器節(jié)點通信半徑內(nèi)，可以直接進行通信的節(jié)點構(gòu)成的集合就稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點。（2）錨節(jié)點（anchor node）無線傳感器網(wǎng)絡中，已知相對全網(wǎng)坐標系位置信息，為其它節(jié)點提供位置參考，協(xié)助其它節(jié)點定位的節(jié)點則稱為錨節(jié)點。（3）未知節(jié)點（unknown node）未知節(jié)點通過錨節(jié)點的點定位算法及節(jié)位置信息來確定自身位置

4、。在網(wǎng)絡中，除比例很少或者沒有的錨節(jié)點，而其它節(jié)點都為未知節(jié)點。（4）節(jié)點連接度（node degree）節(jié)點可以通信發(fā)現(xiàn)的鄰居節(jié)點數(shù)目稱為節(jié)點連接度。（5）網(wǎng)絡密度（network density）包括所有節(jié)點的鄰居節(jié)點平均的數(shù)目稱為網(wǎng)絡密度，通常記為(R)。若N個節(jié)點分布在面積為A的區(qū)域，節(jié)點通信半徑為R，則可求網(wǎng)絡密度為式（2-1） 式（2-1）（6）跳段距離（hop distance）兩個節(jié)點間隔的各跳段距離之和，則稱為兩個節(jié)點之間的跳段距離。（7）跳數(shù)（hop count）兩個節(jié)點之間間隔的跳段的總數(shù)，則稱為兩個節(jié)點之間的跳數(shù)。1. 2三角測量法三角測量定位方法也稱為方位測量定位法或

5、信號到達角度(AOA)定位法4 ,如圖1所示。假設未知節(jié)坐標為( x0 , y0 )的點A ,錨節(jié)點測得分別B、C ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 )分別為其坐標1 和2分別為信號發(fā)出到達的 角度,則有:（i=1,2） （1）上述非線性方程求解得,可( x0 , y0 )未知節(jié)點的得到位置。1. 3三邊測量法三邊測量法是在基于測距的定位算法中坐標計算的基本途徑。如圖2所示, 三邊測量定位法的基本原理就是求3個已知半徑和坐標圓心的圓的交點。假設已知點A、B、C的坐標的3個錨節(jié),距離分別為d1 , d2，d3的未知節(jié)點D,由二維空間計算距離公式,可以解方程組就未知節(jié)點D可得到坐標。

6、1. 4極大似然估計法極大似然估計法定位的原理如圖3所示。已知坐標分別為 ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 ) ,( x3 , y3 ) , , ( xn , yn )的n個錨節(jié)點 ,距離分別為d1 , d2 , d3 , dn 到未知節(jié)點D,假設( x, y)是D坐標,則: （2）第1個方程可以分別減去最后一個方程, 就可以求解 (3) 用 式(3)線性方程組表示，其中:由此求出未知節(jié)點的解的非線性最小二乘估計節(jié)點及極大似然估計D的位置: 缺點在于此方法的要進行浮點的較多運算,所以計算帶來的能量開銷是不容忽視。2無線傳感器節(jié)點定位基于測距技術(shù)的定位和無需測距技術(shù)的定位分類定位過

7、程可根據(jù)是否測量節(jié)點間的實際距離,算法定位可分為:無需測距技術(shù)的定位和基于測距技術(shù)的定位兩類。定位機制需要測量相鄰節(jié)點間的絕對方位或者距離,并節(jié)點間的利用來計算未知節(jié)點的實際距離位置。使用減小測距誤差對定位的各種算法來影響,包括循環(huán)定位求精、多次測量等,但是不可避免的產(chǎn)生大量通信和計算開銷,所以并不適用于低成本、低功耗的應用領(lǐng)域。無需測量定位技術(shù)節(jié)點間的絕對方位或距離,而估計距離是用來進行節(jié)點間的計算節(jié)點位置。MDS2MAP5、凸規(guī)劃和DV2Hop6等都是典型的Range2Free7算法定位。因成本和功耗等因素,再者定位能夠滿足大多數(shù)應用。3 無線傳感器網(wǎng)絡自身定位系統(tǒng)和算法的性能評價節(jié)點定位

8、算法的性直接影響無線傳感器網(wǎng)絡的可用性，因此，需要有評價標準來反映各算法的優(yōu)劣。本文對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位算法評價標準做出簡要的介紹。（1）節(jié)點密度通常節(jié)點密度用無線傳感器網(wǎng)絡平均連通度來進行表示。（2）錨節(jié)點密度錨節(jié)點密度是對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位算法性能評價的重要指標之一。通常錨節(jié)點由人工部署，且由相對的定位系統(tǒng)定位。（3）定位誤差節(jié)點定位算法首要要評價的指標是定位誤差，一般用相對值或絕對值來表示8。為了簡單且相對公平的評價性能標準，通常把式(2-27)作為算法的定位精度。由此可看，定位誤差越小，定位算法的精度越高。 式(2-27)（4）定位規(guī)模在給定數(shù)量的基礎設施內(nèi)或在一段時間內(nèi)，可以

9、定位多少未知節(jié)點是其中一個重要的評價性能指標。不同的定位算法在不同的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)，如，RADAR系統(tǒng)只可以在建筑物的一層內(nèi)實現(xiàn)定位，Active Office定位系統(tǒng)（劍橋）9每200ms定位一個節(jié)點。（5）自適應性和容錯性現(xiàn)實環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡定位節(jié)點常遇到的問題包括：網(wǎng)絡部署環(huán)境中嚴重地存在多徑傳播、通信盲點、非視距(NLOS)、衰減等問題。（6）代價節(jié)點定位算法的代價可從資金、空間和時間代價來評價。資金代價則包括實現(xiàn)某一種節(jié)點定位算法的節(jié)點設備、基礎設施的總費用?？臻g代價包括節(jié)點定位算法所需的和網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量基礎設施、硬件尺寸等。時間代價包括系統(tǒng)的定位所需時間、配置時間、安裝時間等10

10、。（6）功耗功耗是節(jié)點定位算法實現(xiàn)和設計過程中影響比較大的指標之一。電池能量有限，所以在保證定位精度的前提下，要與功耗相關(guān)的定位所有的時間復雜性、通信開銷、存儲開銷、計算量是一組關(guān)鍵的指標11。上述無線傳感器網(wǎng)絡的7種性能評價指標評價不僅是其定位算法的標準，同時也是其實現(xiàn)和設計的優(yōu)化目標。小 結(jié)整體上看來,一些循環(huán)求精算法近年來被提出,WSN的特點更加充分發(fā)揮處理,單個節(jié)點利用節(jié)點間的協(xié)同工作實現(xiàn)無法完成的任務.很多的這些算法不僅提高了精度,自由度還給予用戶更大的提高,一個新的類別正逐漸形成.深入研究了關(guān)鍵內(nèi)容之一的網(wǎng)絡管理。研究和查閱與無線傳感器網(wǎng)絡定位技術(shù)相關(guān)的資料文獻，對無線傳感器網(wǎng)絡中

11、已有的定位算法，對無線傳感器網(wǎng)絡的性能評價、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡特點以及無線傳感器網(wǎng)絡定位的性能評價標準和分類方法進行了研究分析，并深入分析定位技術(shù)的基本原理和測距技術(shù)，并對典型的定位算法原理進行了分析。尤其是距離無關(guān)的定位算法進行分類總結(jié)，并通過相應的標準對算法的性能進行評價，對其優(yōu)點及不足之處進行比較分析。仿真顯示,許多系統(tǒng)的定位精度和算法都還有很大的空間提高.總之,定位無線傳感器網(wǎng)絡的問題研究作為WSN的一個技術(shù)難點,也成為關(guān)鍵點之一.參考文獻：1STEERED C,BAPTISTA A. Research challenges in envi2ronmental observation an

12、d forecast- ting systemsC 2000:292-299.2PETRIUEM, GEO GANASN D, PETRIUDC.IEEE In strumentation and Measurement Magazine.2000, 26(10):31-35.3王福豹,史龍,任豐原. 無線傳感器網(wǎng)絡中的自身定位系統(tǒng)和算法 J .軟件學報,2005,16(5):857-8687.4HET,HUANGCD,BLUMBM.Range2free localization schemes in large scale sensor networks C.USA:ACMPress,200

13、3,81-95.NICULESCUD,NATHB. Adhoc positioning system(APS) using AoAC. IEEE,2003: 1734-1743.5HIGHTOWERJ,BORIELLOG. Location systems for ubiquitous computing J. Computer, 2001, 34(8):57-66.6NICULESCUD, NATHB. Localized positioning in ad hocnetworksC. IEEE Communications Societies,2003,42-50.7HIGHTOWER,JBORIELLO G, WANT R. AnIndoor 3D Location Sensing TechnologyBased on RF Signal Stre