無線傳感器網(wǎng)絡定位算法

=====WORD完整---可編----業(yè)料享=====無線傳感網(wǎng)絡定位算法目..........................................................................................................................2........................................................................................................2..............................................................................................3....................................................................................................................3..........................................................................................................3..................................................................................................4...............................................................................................................5..................................................................................................................................................................................................5...............................................................................................6...........................................................................................9................................................................9......................................................................................................................................................................................................13.......................................................................................誤未定義簽完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====一、常用定位技術1.1定位常見的GPS位的原理可以簡單這樣理解：由工作衛(wèi)星組成，使得在全球任何地方何時間都可觀測到4以上的衛(wèi)星量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。在整個天空范圍內尋找衛(wèi)星是很低效的，因此通過GPS進行定位時，第一次啟動可能需要數(shù)分鐘的時間。這也是為啥我們在使用地圖的時候經(jīng)常會出現(xiàn)先出現(xiàn)一個大的圈，之后才會精確到某一個點的原因過，如果我們在進行定位之前能夠事先知道我們的粗略位置，查找衛(wèi)星的速度就可以大大縮短。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的碼軍用的）碼。民用精度約為10，軍用精度約為米。GPS的優(yōu)點在于無輻射，但是穿透力很弱，無法穿透鋼筋水泥。通常要在室外看得到天的狀態(tài)下才行。信號被遮擋或者削減時，GPS位會出現(xiàn)漂移，在室內或者較為封閉的空間無法使用。正是由于GPS這種缺點經(jīng)常需要輔助定位系統(tǒng)幫助完成定位我們說的。例如iPhone就使用了－GPS即基站或WiFiAP初步定位后，根據(jù)機器內存儲的GPS衛(wèi)星表來快速尋星，然后進行GPS定位。例如在民用的車載導航設備領域，目前比較成熟的是GPS加速度傳感器補正算法定位。在日本的車載導航市場是由Sony的便攜式車載導航系統(tǒng)Nav-U1首先引入量產在增加了三軸陀螺儀的iphone4里可以利用三軸陀螺儀來輔助完成定位，具體可以參見這篇文章的介紹，不過三軸陀螺儀定位的誤差會隨著時間逐漸積累。完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====1.2基站（cellID小區(qū)識別碼Cell）通過識別網(wǎng)絡中哪一個小區(qū)傳輸用戶呼叫并將該信息翻譯成緯度和經(jīng)度來確定用戶位置。CellID實現(xiàn)定位的基本原理：即無線網(wǎng)絡上報終端所處的小區(qū)號（根據(jù)服務的基站來估計臺把小區(qū)號翻譯成經(jīng)緯度坐標。基本定位流程：設備先從基站獲得當前位置（ID）（第一次定位）設備通過網(wǎng)絡將位置傳送給Ａgps位置服務器Agps務器根據(jù)位置查詢區(qū)域內當前可用的衛(wèi)星信息，并返回設備設備中的GPS收器根據(jù)可用衛(wèi)星，快速查找可用的星，并返回定位信息。1.3AP定位設備只要偵聽一下附近都有哪些熱點，檢測一下每個熱點的信號強弱，然后把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡上的服務端務器根據(jù)這些信息，查詢每個熱點在數(shù)據(jù)庫里記錄的坐標，然后進行運算，就能知道客戶端的具體位置了。一次成功的定位需要兩個先決條件：客戶端能上網(wǎng)，偵聽到的熱點的坐標在數(shù)據(jù)庫里有1.4通過設置一定數(shù)量的讀卡器和架設天線讀卡器接收信號的強弱時間、角度來定位。目前無法做到精準定位，布設讀卡器和天線需要有大量的工程實踐經(jīng)驗難度大，另外從成本上來講WIFI濟實用些。完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享=====二、定位算研究的目的意義定位是大多數(shù)應用的基礎。由于節(jié)點工作區(qū)域往往是人類不適合進入的區(qū)域，或者是敵對區(qū)域，甚至有時傳感器節(jié)點需要通過飛行器拋撒，因此節(jié)點的位置通常是隨機并且未知的。而傳感器節(jié)點自身的正確定位是提供監(jiān)測事件位置信息的前提，沒有位置信息的監(jiān)測消息往往是沒有意義的。傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件除能報告事件的發(fā)生地外，還能進行目標跟蹤，實時監(jiān)視目標路線，預測目標軌跡等；實現(xiàn)對外部目標的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節(jié)點位置信息還可以協(xié)助路由，提高路由效率，為網(wǎng)絡提供命名空間，向部署者報告網(wǎng)絡的覆蓋質量，實現(xiàn)網(wǎng)絡的負載均衡以及網(wǎng)絡拓撲的自配置等網(wǎng)絡管理。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點位置尤為重要，對傳感器網(wǎng)絡應用的有效性起著關鍵的作用。而全球定位系統(tǒng)是目前使用最廣泛最成熟的定位系統(tǒng)，通過衛(wèi)星的授時和測距對用戶節(jié)點進行定位，具有精度高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但是定位適應于無遮擋的室外環(huán)境，用戶節(jié)點通常能耗高且體積大，成本也比較高，需要固定的基礎設施等。人工部署和為所有網(wǎng)絡節(jié)點安裝GPS接收器都會受到成本、功耗、擴展性等問題的限制，甚至在某些場合可能根本無法實現(xiàn)，這使得它不適用于低成本自組織的傳感器網(wǎng)絡采用一定的機制與算法實現(xiàn)的自身定位。隨著計算機技術子技術和通信技術的進步器已朝著集成化化、智能化和低能耗的方向快速發(fā)展其能夠在較小體積內集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和信息的傳輸?shù)榷喾N功能，這為無線傳感網(wǎng)(WirelessSensorWSN)的產生和發(fā)展奠定了基礎。完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====無線傳感網(wǎng)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量廉價微型的具有有限數(shù)據(jù)處理能力和裝備有低能耗無線信號收發(fā)器的傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡，其目的是利用網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)作地感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內感興趣的信息，并發(fā)送給觀察者過大量隨機部署在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點來監(jiān)測和感知周圍的物理環(huán)境。無線傳感網(wǎng)具有布線成本低、監(jiān)測精度高、系統(tǒng)容錯性好、可遠程監(jiān)控以及便于診斷與維護等眾多的優(yōu)點的產生解決了傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡在應用中遇到的安裝、維護等方面的種種困難。其在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等領域有著廣闊的應用前景。如果說互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人之間的信息交流方式，那么，無線傳感網(wǎng)的產生將改變人與自然界的交互方式。三、WSN定位算法分析3.1基于3.1.1距離相關定位算法距離相關定位算法一般利用一定的測距技術得到節(jié)點間距離，再利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算出未知節(jié)點的位置。常用的測距技術包括接收信號強度(RSSI)術傳輸時間(技術到達時間(術和信號到達角技術。它們需要一些昂貴的輔助測量設備來測量節(jié)點間的距離，且受環(huán)境影響較大。如RSSI產生的測量誤差較大；TDOA需要節(jié)點具有超聲波發(fā)送與接收功能；容易受到環(huán)境影響，功耗較大等。但距離相關定位算法的一個突出優(yōu)點是定位精度高對定位精度要求比較高的場合都用基于測距的定位算法實現(xiàn)定位。完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====典型算法：接收信號強度指示法（RSSI通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的距離。假設已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離自由空間中發(fā)射機處的天線接收到的信號強度由下面的公式給出：其中，

為發(fā)射機功率，

是距離d處的接收功率，

分別是發(fā)射天線和接收天線的增益，d是距離，單位為米（m與傳播無關的系統(tǒng)損耗因子，λ是波長，單位為米m可知，在自由空間中，接收機功率隨發(fā)射機與接收機距離的平方衰減。這樣，通過測量接收信號的強度，再利用上述公式即可計算出收發(fā)節(jié)點間的大概距離。3.1.2距離無關定位算法利用節(jié)點間的連通情況來估測自己的位置。其中一部分距離無關算法采用集中式計算模式，用一些優(yōu)化方法來提高定位精度，但是集中計算方式需要網(wǎng)絡中有計算中心支持，且計算中心附近節(jié)點通信量大，很快能量耗盡，使整個網(wǎng)絡不可用。絕大多數(shù)距離無關定位算法采取分布式計算模式擴展性好；由于位置估測基于節(jié)點間的連通情況，計算簡單而且容易實現(xiàn)；計算在節(jié)點本地進行，通信量小。因為基于估測距離，距離無關算法定位精度不如距離相關算法好。典型算法：DV-hop法距離向量—跳段(distance，DV-Hop)位機制非常類似于傳統(tǒng)網(wǎng)完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====絡中的距離向量路由機制，DV-Hop算法的定位過程主要分為3個階段：1)計算未知節(jié)點與每個信標節(jié)點的最小跳數(shù)，錨節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播自身位置信息的分組，其中，包括跳數(shù)字段，初始化為0接收節(jié)點記錄具有到每個錨節(jié)點的最小跳數(shù)，忽略來自同一個錨節(jié)點的較大跳數(shù)的分組。然后，將跳數(shù)值加1并轉發(fā)給鄰居節(jié)點。通過這種方法，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點能夠記錄下到每個錨節(jié)點的最小跳數(shù)。2)計算未知節(jié)點與錨節(jié)點的實際跳段距離每個錨節(jié)點根據(jù)第一階段中記錄的其它錨節(jié)點的位置信息和相距跳數(shù),利用下式估算平均每跳的實際距離式中(,,)為錨節(jié)點i,j的坐標;

為錨節(jié)點i與j(≠j)之間的跳段數(shù)，然后，錨節(jié)點將計算的平均每跳距用帶有生存期字段的分組廣播至網(wǎng)絡中，未知節(jié)點僅記錄接收到的第一個平均每跳距離，并轉發(fā)給鄰居節(jié)點。這個策略完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====確保了絕大多數(shù)節(jié)點從最近的錨節(jié)點接收平均每跳距離值節(jié)點接收到平均每跳距離后，根據(jù)記錄的跳數(shù)，計算到每個錨節(jié)點的跳段距離。3)利用三邊測量法計算自身位置未知節(jié)點利用第二階段中記錄的到各個錨節(jié)點的跳段距離，利用三邊測量法計算自身位置。已知A,B,C個節(jié)點的坐標分別(,)(,(),以及它們到未知節(jié)點D的距離分別為y)。那么，有下列公式:

,假設節(jié)點D的坐標為x,…(1)…(2)…(3)由式(1)、式(2)、式(3)可未知節(jié)點D的坐標為:完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====3.2基于目前移動錨節(jié)點定位算法一般包括以下兩類：第一類是同時采用移動錨節(jié)點和靜態(tài)錨節(jié)點協(xié)作來完成未知節(jié)點的定位過程類則是只通過移動錨節(jié)點來獲得未知節(jié)點的坐標移動錨節(jié)點替代傳統(tǒng)的靜態(tài)錨節(jié)點不但降低了無線傳感器網(wǎng)絡定位技術實現(xiàn)的成本，而且提高了定位精度和定位覆蓋率。3.2.1基于移動錨節(jié)點的距離相關定位算法基于測距的移動錨節(jié)點發(fā)送的信標信號中包含距離信息，然后未知節(jié)點通過接受到的距離信息通過特定的計算方法實現(xiàn)定位。典型算法：MBAL算法MBAL(mobilebeaconassistedlocalizationscheme)定位方法是典型的將移動錨節(jié)點定位算法與靜態(tài)錨節(jié)點定位算法相結合的一種方法錨節(jié)點在移動的同時更新其坐標并周期的廣播自身的位置信息點通過RSSI測距方法獲得與錨節(jié)點之間的距離，當接收到3個以上不共線的虛擬錨節(jié)點信息包時，就可以使用三邊測量法來計算自身的位置知節(jié)點定位完成以后，就轉換成為其他未知節(jié)點提供坐標信息的靜態(tài)錨節(jié)點MBAL算法假設錨節(jié)點始終能知道自身的位置，未知節(jié)點可以利用3個及更多的來自移動錨節(jié)點或靜態(tài)錨節(jié)點的數(shù)據(jù)包計算出自身的位置。MBAL定位可分為以下3個階段：錨節(jié)點初始移動階段了保證在傳感器網(wǎng)絡中存在交叉區(qū)域移動錨節(jié)點的初始位置設置在網(wǎng)絡的中心附近。如圖3.16所示，交叉區(qū)域是一個邊長為R的等邊三角形。錨節(jié)點運動結束后，節(jié)點移動的距離長度為2R參考節(jié)點的數(shù)目是3個。經(jīng)過這個步驟，處于交叉區(qū)域的未知節(jié)點能夠計算出自身位置，從而轉化為廣播自身位置數(shù)據(jù)包的靜態(tài)錨節(jié)點，進行遞增式定位。完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====錨節(jié)點初始運動路徑（Theinitialpathamobile未知節(jié)點定位階段：態(tài)參考節(jié)點為其他未知節(jié)點提供包括自身位置的數(shù)據(jù)包更多的節(jié)點被定位，從而遞歸的產生更多的靜態(tài)參考節(jié)點。三邊測量法至少需要3個錨節(jié)點的位置信息，但MBAL使用距離檢查技術（Therangecheck來計算接收到兩個數(shù)據(jù)包的節(jié)點位置下圖所示，一個未知節(jié)點接收到來自參考節(jié)點A和B的兩個數(shù)據(jù)包，估計自身到A和B的距離，從而可以得到兩個可能的位置1P和2P灰色點是參考節(jié)點A和B的鄰居節(jié)點未知節(jié)點的兩跳節(jié)點。這個未知節(jié)點只有兩個鄰居節(jié)點，不能成為兩跳節(jié)點的鄰居節(jié)點，而其中一個可能的位置2P是在節(jié)點C的范圍內被定位。因此，1P是未知節(jié)點唯一的位置。距離檢查技術（Therangechecktechnique錨節(jié)點移動路徑?jīng)Q策階段過前兩個步驟之后些未知節(jié)點接收到的位置信息仍完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====然少于3個，這些節(jié)點被稱為請求節(jié)點，向移動錨節(jié)點請求更多的位置信息。根據(jù)請求節(jié)點已接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)，可將這些節(jié)點分為0-（已接收到參考節(jié)點信息的個數(shù)為0接收到參考節(jié)點信息的個數(shù)為1和2-型（已接收到參考節(jié)點信息的個數(shù)為2同類型未知節(jié)點的請求，移動錨節(jié)點選擇合適的路徑來完成整個網(wǎng)絡的定位MBAL算法提出的路徑規(guī)劃方法比隨機路徑規(guī)劃的定位效果好，但它在盡可能減小錨節(jié)點移動路徑的同時，也降低了定位的精度。對于小規(guī)模傳感器網(wǎng)絡，算法通過上述的路徑規(guī)劃方法縮短了移動錨節(jié)點運動的路徑了錨節(jié)點能耗遞增式的定位算法了定位實現(xiàn)的成本；使用距離檢查技術，減少網(wǎng)絡中不能定位的節(jié)點。但對于大規(guī)模的網(wǎng)絡，MBAL算法會產生嚴重的累積誤差且全網(wǎng)定位的執(zhí)行周期較長中節(jié)點分布均勻且密度較大時，采用遞增式定位能夠滿足所有未知節(jié)點都被定位的需求，不需要再使用距離檢查技術。因此，MBAL算法不適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡定位。3.2.2基于移動錨節(jié)點的距離無關定位算法距離無關的移動錨節(jié)點定位算法，無需測距。典型算法：LMAP算法LMAP算法是根據(jù)“圓的任何一條弦的垂直平分線都經(jīng)過該圓的圓心”這個理論提出的，它是一種非基于測距的算法，在定位的過程中不需要任何距離或者角度的信息定位原理如圖3.18所示，圓心是未知節(jié)點所在的位置，圓的半徑是未知節(jié)點能夠與錨節(jié)點之間進行通信的最大距離動錨節(jié)點經(jīng)過弦的中點。未知節(jié)點接收到3個虛擬參考節(jié)點的信息后未知節(jié)點為圓心的圓中產生了兩條弦。完版學習資料分享

=====WORD完整---可編----業(yè)料享====如上圖所示，分別表示3個虛擬錨節(jié)點，假設它們的坐標為（

，和（點