計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理論文模板

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法綜述林海燕（三明學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)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(luò)廣泛的在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的追蹤任務(wù)和大規(guī)模監(jiān)測(cè),介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)算法的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(luò);節(jié)點(diǎn)定位;定位算法; 仿真系統(tǒng).引言隨著微機(jī)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(luò)(WSN)在目標(biāo)追蹤、軍事應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、空間探索等領(lǐng)域都廣泛得到應(yīng)用 1,2 。節(jié)點(diǎn)位置信息的基礎(chǔ)是無線傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)定位

2、3 技術(shù)在具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中重要的地位。在應(yīng)用中,明確傳感器節(jié)點(diǎn)自身位置才能詳細(xì)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(duì)外部目標(biāo)的追蹤和定位?？梢蕴岣呗酚尚蕪牧私鈧鞲衅鞴?jié)點(diǎn)位置信息可知,提供命名空間的網(wǎng)絡(luò),報(bào)告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖耘渲眉熬W(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以.現(xiàn)有的定位方法大多數(shù)都包含兩個(gè)基本過程: 計(jì)算定位;節(jié)點(diǎn)間的角度(或距離)測(cè)量。1節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法 把未知節(jié)點(diǎn)即需要定位的節(jié)點(diǎn);通過已知位置即錨節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)即是可直接通信的節(jié)點(diǎn)，必須是一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)。在獲得自身未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)或3個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的(角度或距離)后可以采用三邊測(cè)量

3、法、三角測(cè)量法、最小最大法計(jì)算自身的位置或極大似然估計(jì)法。1.1基本概念定位節(jié)點(diǎn)算法的目的，讓所有鄰居節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量距離值，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置，使其能與相一致的測(cè)距結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位節(jié)點(diǎn)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(diǎn)（neighbor node）在一傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)，可以直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合就稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。（2）錨節(jié)點(diǎn)（anchor node）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，已知相對(duì)全網(wǎng)坐標(biāo)系位置信息，為其它節(jié)點(diǎn)提供位置參考，協(xié)助其它節(jié)點(diǎn)定位的節(jié)點(diǎn)則稱為錨節(jié)點(diǎn)。（3）未知節(jié)點(diǎn)（unknown node）未知節(jié)點(diǎn)通過錨節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)定位算法及節(jié)位置信息來確定自身位置

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

5、信號(hào)到達(dá)角度(AOA)定位法4 ,如圖1所示。假設(shè)未知節(jié)坐標(biāo)為( x0 , y0 )的點(diǎn)A ,錨節(jié)點(diǎn)測(cè)得分別B、C ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 )分別為其坐標(biāo)1 和2分別為信號(hào)發(fā)出到達(dá)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(diǎn)的得到位置。1. 3三邊測(cè)量法三邊測(cè)量法是在基于測(cè)距的定位算法中坐標(biāo)計(jì)算的基本途徑。如圖2所示, 三邊測(cè)量定位法的基本原理就是求3個(gè)已知半徑和坐標(biāo)圓心的圓的交點(diǎn)。假設(shè)已知點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)的3個(gè)錨節(jié),距離分別為d1 , d2，d3的未知節(jié)點(diǎn)D,由二維空間計(jì)算距離公式,可以解方程組就未知節(jié)點(diǎn)D可得到坐標(biāo)。

6、1. 4極大似然估計(jì)法極大似然估計(jì)法定位的原理如圖3所示。已知坐標(biāo)分別為 ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 ) ,( x3 , y3 ) , , ( xn , yn )的n個(gè)錨節(jié)點(diǎn) ,距離分別為d1 , d2 , d3 , dn 到未知節(jié)點(diǎn)D,假設(shè)( x, y)是D坐標(biāo),則: （2）第1個(gè)方程可以分別減去最后一個(gè)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(diǎn)的解的非線性最小二乘估計(jì)節(jié)點(diǎn)及極大似然估計(jì)D的位置: 缺點(diǎn)在于此方法的要進(jìn)行浮點(diǎn)的較多運(yùn)算,所以計(jì)算帶來的能量開銷是不容忽視。2無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位基于測(cè)距技術(shù)的定位和無需測(cè)距技術(shù)的定位分類定位過

7、程可根據(jù)是否測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離,算法定位可分為:無需測(cè)距技術(shù)的定位和基于測(cè)距技術(shù)的定位兩類。定位機(jī)制需要測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)方位或者距離,并節(jié)點(diǎn)間的利用來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離位置。使用減小測(cè)距誤差對(duì)定位的各種算法來影響,包括循環(huán)定位求精、多次測(cè)量等,但是不可避免的產(chǎn)生大量通信和計(jì)算開銷,所以并不適用于低成本、低功耗的應(yīng)用領(lǐng)域。無需測(cè)量定位技術(shù)節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)方位或距離,而估計(jì)距離是用來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(yīng)用。3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的性能評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)定位

8、算法的性直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性，因此，需要有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來反映各算法的優(yōu)劣。本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做出簡(jiǎn)要的介紹。（1）節(jié)點(diǎn)密度通常節(jié)點(diǎn)密度用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平均連通度來進(jìn)行表示。（2）錨節(jié)點(diǎn)密度錨節(jié)點(diǎn)密度是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。通常錨節(jié)點(diǎn)由人工部署，且由相對(duì)的定位系統(tǒng)定位。（3）定位誤差節(jié)點(diǎn)定位算法首要要評(píng)價(jià)的指標(biāo)是定位誤差，一般用相對(duì)值或絕對(duì)值來表示8。為了簡(jiǎn)單且相對(duì)公平的評(píng)價(jià)性能標(biāo)準(zhǔn)，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(chǔ)設(shè)施內(nèi)或在一段時(shí)間內(nèi)，可以

9、定位多少未知節(jié)點(diǎn)是其中一個(gè)重要的評(píng)價(jià)性能指標(biāo)。不同的定位算法在不同的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，如，RADAR系統(tǒng)只可以在建筑物的一層內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位，Active Office定位系統(tǒng)（劍橋）9每200ms定位一個(gè)節(jié)點(diǎn)。（5）自適應(yīng)性和容錯(cuò)性現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位節(jié)點(diǎn)常遇到的問題包括：網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境中嚴(yán)重地存在多徑傳播、通信盲點(diǎn)、非視距(NLOS)、衰減等問題。（6）代價(jià)節(jié)點(diǎn)定位算法的代價(jià)可從資金、空間和時(shí)間代價(jià)來評(píng)價(jià)。資金代價(jià)則包括實(shí)現(xiàn)某一種節(jié)點(diǎn)定位算法的節(jié)點(diǎn)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施的總費(fèi)用?？臻g代價(jià)包括節(jié)點(diǎn)定位算法所需的和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量基礎(chǔ)設(shè)施、硬件尺寸等。時(shí)間代價(jià)包括系統(tǒng)的定位所需時(shí)間、配置時(shí)間、安裝時(shí)間等10

10、。（6）功耗功耗是節(jié)點(diǎn)定位算法實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)過程中影響比較大的指標(biāo)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(shí)間復(fù)雜性、通信開銷、存儲(chǔ)開銷、計(jì)算量是一組關(guān)鍵的指標(biāo)11。上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的7種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)不僅是其定位算法的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是其實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)。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(diǎn)更加充分發(fā)揮處理,單個(gè)節(jié)點(diǎn)利用節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)無法完成的任務(wù).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(gè)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(luò)管理。研究和查閱與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)相關(guān)的資料文獻(xiàn)，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中

11、已有的定位算法，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)價(jià)、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分類方法進(jìn)行了研究分析，并深入分析定位技術(shù)的基本原理和測(cè)距技術(shù)，并對(duì)典型的定位算法原理進(jìn)行了分析。尤其是距離無關(guān)的定位算法進(jìn)行分類總結(jié)，并通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)算法的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)其優(yōu)點(diǎn)及不足之處進(jìn)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(luò)的問題研究作為WSN的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),也成為關(guān)鍵點(diǎn)之一.參考文獻(xiàn)：1STEERED C,BAPTISTA A. Research challenges in envi2ronmental observation an

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