無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN主要應(yīng)用技術(shù)

6.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用技術(shù)隨著無線通信技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)與嵌入式技術(shù)的日益成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性逐漸提高，應(yīng)用的范圍也日漸廣泛，如工業(yè)監(jiān)控、機(jī)械制造、礦井安全監(jiān)測(cè)、健康狀況監(jiān)測(cè)、智能化家居環(huán)境、農(nóng)業(yè)用生物環(huán)境保護(hù)等要求高可靠性的領(lǐng)域也開始引入WSN。WSN作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，有較多的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)有待研究。例如，時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位、目標(biāo)跟蹤技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂婆c覆蓋技術(shù)，數(shù)據(jù)融合與網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，容錯(cuò)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等。16.1 WSN的時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位與目標(biāo)跟蹤技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步是至關(guān)重要的一項(xiàng)技術(shù)，比如多個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合完成一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如果不事先進(jìn)行時(shí)間同步，那么就無法聯(lián)合完成任務(wù)。在WSN中，不同的節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)間，由于不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及受溫度變化和電磁波干擾等影響，即使在某個(gè)時(shí)刻所有的節(jié)點(diǎn)都達(dá)到時(shí)間同步，它們的工作時(shí)間也會(huì)逐漸出現(xiàn)偏差，因此為了讓W(xué)SN能協(xié)調(diào)地工作，必須進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。2定位就是確定位置。確定位置在實(shí)際應(yīng)用中有兩種意義，一種是確定自己在系統(tǒng)中的位置，另一種是確定目標(biāo)在系統(tǒng)中的位置。節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過某種方法，在基于已知節(jié)點(diǎn)位置信息的情況下來計(jì)算和確定未知節(jié)點(diǎn)或者目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置的技術(shù)。在應(yīng)用中，只有知道節(jié)點(diǎn)的位置信息才能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息的監(jiān)測(cè)，這就需要監(jiān)測(cè)到該事件的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作。節(jié)點(diǎn)定位問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)諸多應(yīng)用的前提，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的基礎(chǔ)性問題和熱點(diǎn)問題之一。3在WSN的許多應(yīng)用中，跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是一項(xiàng)基本功能。由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，價(jià)格低廉，采用無線通信方式，具有自組織性、魯棒性和隱蔽性等特點(diǎn)，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行定位和跟蹤。如在軍事領(lǐng)域?qū)崟r(shí)跟蹤敵方車輛的行進(jìn)路線和兵力的調(diào)動(dòng)情況，將獲取的戰(zhàn)場(chǎng)信息及時(shí)發(fā)送到指揮中心。在民用方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于對(duì)泄露化學(xué)氣體源的定位，并根據(jù)風(fēng)向等環(huán)境因素，跟蹤氣體的擴(kuò)散情況，及時(shí)疏散周邊人員。46.1.1 時(shí)間同步技術(shù)簡(jiǎn)介1.概述（1）基本概念在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)終端設(shè)備都維護(hù)著一個(gè)自己的本地時(shí)鐘，不同終端設(shè)備的本地時(shí)鐘往往是不同步的，因此網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常通過修改終端設(shè)備的本地時(shí)間來達(dá)到時(shí)鐘的同步。WSN的節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立并以無線方式通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)本地計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)信號(hào)一般由廉價(jià)的晶體振蕩器提供。由于晶體振蕩器制造工藝存在差別，并且在工作過程中容易受到電壓、溫度以及晶體老化等多種偶然因素的影響，每個(gè)晶振的頻率很難保持一致，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的計(jì)時(shí)速率存在偏差，造成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間失步。為了維護(hù)節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間的一致性，進(jìn)行時(shí)間同步操作是必要的。5WSN時(shí)間同步包括物理時(shí)間和邏輯時(shí)間兩個(gè)方面。人類社會(huì)的絕對(duì)時(shí)間稱為物理時(shí)間，事件發(fā)生的順序關(guān)系稱為邏輯時(shí)間，是相對(duì)的概念。無線傳感器得到的數(shù)據(jù)必須具備準(zhǔn)確的時(shí)間和位置信息，否則收集的信息是不完整的。傳感器節(jié)點(diǎn)的定時(shí)、休眠周期的同步、數(shù)據(jù)融合等都要求傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間是同步的。在傳感器節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的前提下，用時(shí)間排序的目標(biāo)位置檢測(cè)可以預(yù)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)行速度及方向，通過測(cè)量聲音的傳播時(shí)間能夠確定聲源的位置以及節(jié)點(diǎn)與聲源之間的距離。6（2）時(shí)間同步的分類形式在WSN中，時(shí)間同步的分類有四種形式：①排序、相對(duì)同步與絕對(duì)同步。時(shí)間同步可分為三個(gè)不同的層次：第一個(gè)層次是最簡(jiǎn)單的，時(shí)間同步需求是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)事件的排序，即對(duì)事件發(fā)生的先后順序進(jìn)行判斷。第二個(gè)層次為相對(duì)同步，節(jié)點(diǎn)維持其本地時(shí)鐘的獨(dú)立運(yùn)行，動(dòng)態(tài)獲取并存儲(chǔ)它與其他節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘漂移。根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間值之間的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到時(shí)間同步的目的。相對(duì)同步并不是直接修改節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，而是保持本地時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行。第三個(gè)層次為絕對(duì)同步，節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間和參考基準(zhǔn)時(shí)間保持一致，除了正常的計(jì)時(shí)過程對(duì)節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間進(jìn)行修改外，節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間也會(huì)被時(shí)間同步協(xié)議所修改。7②外同步與內(nèi)同步外同步是指同步時(shí)間的參考源來自于網(wǎng)絡(luò)外部，典型的外同步為時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)通過外接GPS接收機(jī)獲得UTC(UniversalTimeCoordinated)時(shí)間，而網(wǎng)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通過時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與UTC時(shí)間的間接同步。或者為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都外接GPS接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)與UTC時(shí)間的直接同步。內(nèi)同步則是指同步時(shí)間的參考源來自于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，例如，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間。③局部同步與全網(wǎng)同步局部同步與全網(wǎng)同步通常根據(jù)不同的應(yīng)用需要來劃分，局部同步往往只需要部分與該事件相關(guān)的節(jié)點(diǎn)同步，例如事件觸發(fā)類應(yīng)用。需要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步稱為全網(wǎng)同步。8④發(fā)送者-接收者同步與接收者-接收者同步在進(jìn)行發(fā)送者-接收者同步時(shí)，發(fā)送者在信息中輸入信息發(fā)送時(shí)間，而接收者在接收到信息后記錄下接收時(shí)間，并利用這些時(shí)間信息計(jì)算出收發(fā)雙方的時(shí)鐘偏移，進(jìn)而達(dá)到收發(fā)雙方的時(shí)間同步。接收者-接收者同步時(shí)，發(fā)送者發(fā)送一個(gè)同步信息到多個(gè)接收者，這些接收者通過對(duì)同一個(gè)信息時(shí)間的比較，計(jì)算出它們之間的時(shí)鐘偏移，從而達(dá)到接收者-接收者同步。9（3）時(shí)間同步機(jī)制的性能指標(biāo)①精確度。同步精確度的高低是指同步誤差的大小，即一組傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最大時(shí)間差量或相對(duì)外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大時(shí)間差量。精確度的需求依賴于時(shí)間同步的目的和應(yīng)用，對(duì)于某些應(yīng)用，只需要知道時(shí)間和消息的先后順序就可以了，而其他應(yīng)用則要求同步精確到微秒。②可擴(kuò)展性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)該能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)部署范圍或節(jié)點(diǎn)密度的變化。③穩(wěn)定性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因環(huán)境影響以及節(jié)點(diǎn)自身的變化會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)該能夠在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化中保持同步的連續(xù)性和精度的穩(wěn)定性。④效率。效率是達(dá)到時(shí)間同步精度所經(jīng)歷的時(shí)間相消耗的能量。需要交換的同步消息越多，經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)消耗的能量就越大，同步的效率則相對(duì)越低。10⑤健壯性。WSN可能在復(fù)雜監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間無人管理，一旦某些節(jié)點(diǎn)損毀或失效。在整個(gè)WSN中，時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)該繼續(xù)保持有效且功能健全。⑥同步期限。節(jié)點(diǎn)需要一直保持時(shí)間同步的時(shí)間長(zhǎng)度，WSN需要在各種時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)保持時(shí)間同步，包括瞬間同步以及伴隨網(wǎng)絡(luò)存在的永久同步。⑦同步有效范圍。時(shí)間同步機(jī)制可以給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間，也可以給局部區(qū)域內(nèi)的部分節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間。對(duì)于面積較大的WSN，由于可擴(kuò)展性的原因，能量和帶寬的利用是昂貴的，全面的時(shí)間同步有很大難度。另外，大量節(jié)點(diǎn)達(dá)到同一時(shí)間需要收集來自遙遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的用于全面同步的數(shù)據(jù)，對(duì)于大規(guī)模的WSN是難以實(shí)現(xiàn)的，而且直接影響了同步的精確度。⑧成本和體積。時(shí)間同步可能需要特定的硬件，在WSN中需要考慮部件的價(jià)格和體積。112．研究?jī)?nèi)容與主要應(yīng)用時(shí)間同步需要重點(diǎn)解決以下三個(gè)方面的問題。①如何設(shè)計(jì)時(shí)間同步協(xié)議，使得同步精度盡可能高，即同步誤差盡可能小。②如何設(shè)計(jì)滿足低功耗的時(shí)間同步協(xié)議，盡可能地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。③如何設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性強(qiáng)的時(shí)間同步協(xié)議或算法，以適應(yīng)不斷擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和逐漸增強(qiáng)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性。WSN時(shí)間同步的重要約束是價(jià)格和體積，因?yàn)閃SN中節(jié)點(diǎn)的成本不能太高，而且節(jié)點(diǎn)的微小體積不能安裝本地振蕩器和無線通信模塊以外的用于同步的器件。由于無線傳感器體積、能量和價(jià)格等方面的約束以及網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，使得GPS等現(xiàn)有常規(guī)同步機(jī)制不適用于WSN的應(yīng)用。因此，需要修改或重新設(shè)計(jì)其他的同步時(shí)間機(jī)制以達(dá)到WSN的要求。12時(shí)間同步是WSN的基本中間件，它對(duì)其他中間件以及各種應(yīng)用都起著基礎(chǔ)性作用，一些常見的應(yīng)用如下：①低功耗MAC協(xié)議。主動(dòng)發(fā)送分組與被動(dòng)監(jiān)聽無線信道消耗的能量是相當(dāng)?shù)模虼吮M可能地關(guān)閉無線通信模塊是WSN中MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則。為了節(jié)省能量，只有在交換無線信息時(shí)短暫蘇醒，在快速完成通信后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果MAC協(xié)議采用最直接的時(shí)分多路復(fù)用方法，達(dá)到上述目標(biāo)可以利用占空比的調(diào)節(jié)。但參與通信的雙方需要首先實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，而且同步精度越高，防護(hù)頻帶越小，對(duì)應(yīng)消耗的能量也越低。所以低功耗MAC協(xié)議的基礎(chǔ)是高精度的時(shí)間同步。②測(cè)距定位。如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步，則很容易確定節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸時(shí)間。由于信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度是一定的，距離信息很容易根據(jù)傳輸時(shí)間信息得到。因此，時(shí)間同步直接決定了測(cè)距的精度。13③協(xié)作傳輸?shù)囊?。一般情況下，由于WSN節(jié)點(diǎn)的傳輸功率的局限性，無法和遠(yuǎn)方基站直接通信，有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)直接放置大功率的節(jié)點(diǎn)。因此，通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送相同的信息，利用電磁波的能量疊加效應(yīng)，遠(yuǎn)方基站將會(huì)在瞬間感應(yīng)到一個(gè)功率很強(qiáng)的信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)直接向遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)傳輸信息的目的。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)協(xié)作傳輸?shù)幕厩疤崾蔷_的時(shí)間同步，需要新型的調(diào)制解調(diào)的方式。④多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合。由于計(jì)算開銷遠(yuǎn)低于通信開銷，所以正確識(shí)別一組臨近節(jié)點(diǎn)所偵測(cè)到的相同事件，然后對(duì)重復(fù)的信息進(jìn)行整理壓縮后再傳輸將會(huì)節(jié)省大量的電能。為了能夠正確判斷重復(fù)信息，可以為每個(gè)事件標(biāo)記一個(gè)時(shí)間戳，通過該時(shí)間戳可以鑒別重復(fù)事件，精確的時(shí)間同步能更有效地識(shí)別重復(fù)事件。143．研究熱點(diǎn)及存在問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步面臨的主要問題是信息傳輸?shù)牟淮_定性。傳輸延遲達(dá)不到要求的時(shí)間同步的精度，同時(shí)還容易受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、處理器負(fù)載等因素的影響。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的時(shí)間同步協(xié)議必須要解決三個(gè)方面的問題：①同步的誤差要盡可能地小，這樣才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的正常進(jìn)行。②因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池不可替換，因此協(xié)議要盡可能地簡(jiǎn)單，功耗要低，以盡可能地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。③具有可擴(kuò)展性。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，時(shí)間同步協(xié)議要同樣有效。在節(jié)點(diǎn)的時(shí)間計(jì)數(shù)中存在兩種計(jì)數(shù)模型，一種是硬件計(jì)數(shù)，即利用晶振來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的計(jì)數(shù)。另外一種是軟件時(shí)鐘模型，采用虛擬的軟件時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)。15WSN應(yīng)用的多樣化也給時(shí)間同步提出了諸多不同的要求，局部協(xié)作只需要相鄰節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，而全局協(xié)作則需要全網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。事件觸發(fā)可能僅需要瞬時(shí)同步，而數(shù)據(jù)記錄或調(diào)試經(jīng)常需要長(zhǎng)期的時(shí)間同步。與外部用戶的通信需要絕對(duì)時(shí)間的同步，而網(wǎng)內(nèi)僅需要相對(duì)時(shí)間的同步。時(shí)間同步的精度越高，相對(duì)能耗也越大，在設(shè)計(jì)具體算法時(shí)應(yīng)該折中考慮精度與能耗。WSN的一些固有特征，如能量、存儲(chǔ)、計(jì)算和寬帶的限制，以及節(jié)點(diǎn)的高密度分布，使傳統(tǒng)的時(shí)間同步算法無法適用。因此，越來越多的研究集中在設(shè)計(jì)適合WSN的時(shí)間同步算法。目前，已提出多個(gè)時(shí)間同步機(jī)制，其中RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)、Tiny/Mini-Sync和TPSN(Timing-SyncProtocolforSensorNetwork)被認(rèn)為是三個(gè)基本的同步機(jī)制。166.1.2 定位技術(shù)簡(jiǎn)介1.概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過特定的方法提供節(jié)點(diǎn)位置信息，自組織網(wǎng)絡(luò)定位方式分為節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)定位兩種。確定傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息稱為“節(jié)點(diǎn)定位”；確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)一個(gè)事件或一個(gè)目標(biāo)的位置信息稱為“目標(biāo)定位”。節(jié)點(diǎn)定位是網(wǎng)絡(luò)自身屬性的確定過程，可以通過人工標(biāo)定或各種節(jié)點(diǎn)自定位算法實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)定位是利用位置信息已知的節(jié)點(diǎn)確定事件或目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置。17目前，使用廣泛的定位系統(tǒng)有：全球定位系統(tǒng)(GPS)和基于位置的服務(wù)(LBS)。GPS在室外空曠的地方具有較好的定位效果，具有定位精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，最高定位精度達(dá)1m，一般可以提供5m左右的定位精度。但是，由于其價(jià)格、功耗、體積等因素嚴(yán)重制約了GPS在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模應(yīng)用。通常在建筑物內(nèi)，GPS接收不到衛(wèi)星信號(hào)而無法實(shí)施定位?；谖恢玫姆?wù)是利用一定的技術(shù)手段通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲取用戶的位置信息，并在電子地圖的支持下，為用戶提供增值服務(wù)。它是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和定位服務(wù)的融合業(yè)務(wù)，可以為用戶提供查找最近的飯店、旅館、車站等服務(wù)。18傳感器節(jié)點(diǎn)由資源有限的嵌入式設(shè)備組成，節(jié)點(diǎn)易受環(huán)境干擾，所以在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)定位算法時(shí)，要求定位機(jī)制必須滿足以下條件：①自組織性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，不依賴于全局基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位。②健壯性。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置低，能量有限，可靠性較差，定位算法必須能夠容忍節(jié)點(diǎn)失效和測(cè)距誤差。③節(jié)能性。盡可能地減少算法中計(jì)算的算法復(fù)雜度，減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷，以盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。④分布式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是大規(guī)模部署網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，定位任務(wù)將不會(huì)是單個(gè)節(jié)點(diǎn)所能承擔(dān)的，這就需要定位算法具有一定的分布式把任務(wù)分派到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。⑤可擴(kuò)展性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目可能是成千上萬甚至更多，為了滿足對(duì)不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)的適用性，定位算法必須具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。192.研究?jī)?nèi)容與主要應(yīng)用WSN的定位問題一般指對(duì)于一組未知位置坐標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，依靠有限的位置已知的錨節(jié)點(diǎn)，通過測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)至其余節(jié)點(diǎn)的距離或跳數(shù)，或者通過估計(jì)節(jié)點(diǎn)可能處于的區(qū)域范圍，結(jié)合節(jié)點(diǎn)間交換的信息和錨節(jié)點(diǎn)的已知位置來確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法較多，一般從根據(jù)定位信息的采集和處理方式來考慮定位方法的實(shí)現(xiàn)。在定位信息采集方面，定位算法需要采集如距離、角度、時(shí)間等定位相關(guān)信息來用于進(jìn)一步的位置計(jì)算。在定位信息處理方面，由分布式節(jié)點(diǎn)通過相互交換定位信息，或者將定位信息上傳至其他中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中處理，根據(jù)定位信息計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)等位置數(shù)據(jù)完成定位功能。20隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的推廣，傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位算法得到廣泛的研究。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，人們提出了各種定位算法，這些算法的分類如圖6.1所示。21傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中可分為節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)定位。在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位中，根據(jù)是否已知自己位置將節(jié)點(diǎn)劃分為錨節(jié)點(diǎn)或信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)能夠通過人工標(biāo)定、攜帶GPS模塊等手段獲得自身位置，受成本、功耗和擴(kuò)展性等因素的限制，錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往相對(duì)很少。未知節(jié)點(diǎn)能夠利用與錨節(jié)點(diǎn)之間的物理和邏輯關(guān)系，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的定位算法來確定自身位置。如圖6.2所示的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，A代表錨節(jié)點(diǎn)，U代表未知節(jié)點(diǎn)，傳感器自身節(jié)點(diǎn)定位就是利用定位算法通過錨節(jié)點(diǎn)來確定未知節(jié)點(diǎn)位置的過程。在WSN的各種應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)到事件之后關(guān)心的一個(gè)重要問題就是該事件發(fā)生的位置。22圖6.2傳感器網(wǎng)絡(luò)中的錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)是否需要距離測(cè)量來將定位算法分為：基于測(cè)距算法和測(cè)距無關(guān)算法兩類。定位測(cè)距技術(shù)有基于到達(dá)時(shí)間TOA(timeofarrival)的測(cè)距、基于到達(dá)時(shí)間差TDOA(TimeDifferenceofArrival)的測(cè)距、基于到達(dá)角度AOA(AngleofArrival)的測(cè)距和基于接收信號(hào)強(qiáng)度RSSl(ReceivedSignalStrengthIndication)的測(cè)距。測(cè)距方法通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離或角度信息，使用三邊測(cè)量定位法、三角測(cè)量定位法、多邊或混合定位法等來計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。另外，還有一些典型的定位算法。23測(cè)距無關(guān)的方法則無須距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通度等信息來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位。在與測(cè)距無關(guān)算法中，主要包括有基于質(zhì)心算法、基于邏輯距離算法和基于指紋算法等。測(cè)距法的精度一般高于非測(cè)距法，但測(cè)距法對(duì)節(jié)點(diǎn)本身硬件要求較高。在某些特定場(chǎng)合，如在一個(gè)規(guī)模較大且錨節(jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，待定位節(jié)點(diǎn)無法與足夠多的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信測(cè)距。普通測(cè)距方法很難進(jìn)行定位，此時(shí)需要考慮用測(cè)距無關(guān)的方式來估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離，兩種算法均有其自身的局限性。24目標(biāo)定位是根據(jù)監(jiān)測(cè)到事件或目標(biāo)的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作，通過相應(yīng)的定位算法確定網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的事件或目標(biāo)位置。在節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行目標(biāo)定位之前，首先需要獲得自身的位置。因此節(jié)點(diǎn)自身定位是目標(biāo)定位的基礎(chǔ)，也是傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的主要研究?jī)?nèi)容。定位算法種類很多，在不同的條件下，算法的性能指標(biāo)也不相同。根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可以將定位算法分為基于測(cè)距的定位和與測(cè)距無關(guān)的定位、絕對(duì)定位和相對(duì)定位、集中式定位和分布式定位、緊密耦合和松散耦合。25（1）基于測(cè)距的定位和與測(cè)距無關(guān)的定位基于測(cè)距的定位是通過節(jié)點(diǎn)間測(cè)量的距離或角度信息，使用定位算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置。與測(cè)距無關(guān)的定位無需測(cè)量距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息進(jìn)行定位?；跍y(cè)距的定位技術(shù)精度較高，但有時(shí)需要額外增加硬件，節(jié)點(diǎn)功耗較大，主要算法有TOA、TDOA、RSSI、AOA等。與測(cè)距無關(guān)的定位技術(shù)定位精度較差，但功耗和節(jié)點(diǎn)成本較低，適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，定位算法主要包括質(zhì)心算法、凸規(guī)劃、SPA算法、APIT算法、APS算法等。26（2）絕對(duì)定位和相對(duì)定位絕對(duì)定位的結(jié)果是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)值，而相對(duì)定位是以網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點(diǎn)為參考，建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。絕對(duì)定位受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性影響較小，具有較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但需要參考節(jié)點(diǎn)。相對(duì)定位對(duì)節(jié)點(diǎn)要求較弱，也能夠?qū)崿F(xiàn)部分路由協(xié)議。大多數(shù)定位系統(tǒng)和定位算法都能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)定位。27（3）集中式定位和分布式定位集中式定位是指將定位所需要的信息傳送到某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算。分布式定位是指利用節(jié)點(diǎn)之間的信息交換，由節(jié)點(diǎn)自行進(jìn)行定位計(jì)算。集中式定位精度較高，但需要較大的通信能力、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，大量的數(shù)據(jù)通信會(huì)導(dǎo)致距離中心節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)提前消耗完電能，并最終導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)中斷。分布式定位利用節(jié)點(diǎn)之間的通信信息進(jìn)行定位，耗能較少，但定位精度較差。（4）緊密耦合和松散耦合緊密耦合定位系統(tǒng)是指參考節(jié)點(diǎn)不僅準(zhǔn)確部署在固定位置，而且通過有線介質(zhì)連接到控制中心。松散耦合是指定系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)采用無中心控制器的分布式無線協(xié)調(diào)方式。28除用來提供監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置信息外，WSN定位技術(shù)還具有下列應(yīng)用：①定向信息查詢。如果監(jiān)測(cè)需要，可以對(duì)某一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行定位，需要管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送任務(wù)給這個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。②協(xié)助路由。通過節(jié)點(diǎn)的位置信息路由算法可以進(jìn)行路由的選擇。③目標(biāo)跟蹤。對(duì)目標(biāo)的行動(dòng)路線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡。④網(wǎng)絡(luò)管理。使用定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，利用這些節(jié)點(diǎn)傳送過來的節(jié)點(diǎn)位置信息來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況實(shí)時(shí)觀察，并且也可以對(duì)節(jié)點(diǎn)分布情況進(jìn)行管理。29（5）

基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù)

三邊定位和多邊定位信號(hào)強(qiáng)度（RSS）信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差（TOA/TDOA/RTOF）接收信號(hào)相位（PDOA）近場(chǎng)電磁測(cè)距（NFER）接收信號(hào)角度定位多邊定位Multilateration多次測(cè)量方程的個(gè)數(shù)大于變量的個(gè)數(shù)估計(jì)方法：最小二乘（LS，LeastSquare）極大似然（MLE,MaximumLikelihoodEstimation）最小均方差（MMSE,MinimumMeanSquareError）三邊定位Trilateration（多邊定位特例）多次測(cè)量方程的個(gè)數(shù)等于變量的個(gè)數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解信號(hào)強(qiáng)度（RSS:ReceivedSignalStrength）通過信號(hào)在傳播中的衰減來估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離根據(jù)信道模型求解距離：信道的時(shí)變特性：信道由于受到多徑衰減（Multi-pathFading）非視距阻擋（Non-of-SightBlockage）的影響信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差（TOA/TDOA/RTOF）TOATDOARTOF接收信號(hào)相位（PDOA）通過測(cè)相位差，求出信號(hào)往返的傳播時(shí)間，計(jì)算出往返距離其中，fc是信號(hào)頻率，λ是信號(hào)的波長(zhǎng)，φ是發(fā)送信號(hào)和反射信號(hào)的相位差。由上式可知d的范圍是[0,λ]。不同的距離如果相差λ倍，則測(cè)量獲得的相位相同。近場(chǎng)電磁測(cè)距（NFER）利用了在近場(chǎng)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相位差來測(cè)量距離。射頻信號(hào)包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)2部分。近場(chǎng)電磁測(cè)距方法的測(cè)距范圍0.05λ~0.5λ之間，最佳測(cè)量范圍0.08λ~0.3λ之間。利用角度關(guān)系定位已知一個(gè)頂點(diǎn)和夾角的射線確定一點(diǎn)

已知三點(diǎn)和三個(gè)夾角確定一點(diǎn)

3．研究熱點(diǎn)與存在問題傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位問題涉及很多方面，包括定位精度、參考節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)的健壯性和動(dòng)態(tài)性，以及算法復(fù)雜度等。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)自身定位問題在很大程度上影響著其應(yīng)用前景，研究節(jié)點(diǎn)定位問題有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，在節(jié)點(diǎn)定位應(yīng)用中，由于受傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限、可靠性差、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大且節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布放、無線模塊的通信距離有限等影響，對(duì)定位算法和定位技術(shù)提出了很高的要求。一般來說，我們從定位區(qū)域與精確度、實(shí)時(shí)性和能耗三個(gè)方面來衡量節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的好壞。38（1）定位區(qū)域與精確度定位區(qū)域與精確度是傳統(tǒng)定位方法和WSN定位都具有的衡量指標(biāo)，而且定位區(qū)域和精度一般都是互補(bǔ)存在的，定位區(qū)域越大，意味著精度越小。根據(jù)定位區(qū)域的大小，我們將定位技術(shù)分為局部定位和全網(wǎng)絡(luò)定位。全網(wǎng)絡(luò)定位一般采用GPS定位系統(tǒng)，在戶外空曠的地方能夠準(zhǔn)確地知道節(jié)點(diǎn)所在的位置，這是定位中的一個(gè)特例。全球定位系統(tǒng)的精度可以達(dá)到米級(jí)范圍，是導(dǎo)航必不可少的一個(gè)服務(wù)。但是全局定位對(duì)設(shè)備要求較高，所耗能量也比較大，在WSN中一般不采用這種方式。WSN一般采用局部定位的方法，幾個(gè)已知的節(jié)點(diǎn)通過它自身的位置來定位它作用范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)位置。在WSN中根據(jù)具體的應(yīng)用，我們可以選擇具體的定位方法，確定不同的覆蓋范圍和準(zhǔn)確度。39（2）實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性與位置信息的更新頻率密切相關(guān)，位置信息更新頻率越高，實(shí)時(shí)性越強(qiáng)。GPS系統(tǒng)的更新頻率對(duì)于車輛定位等問題已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠。比如導(dǎo)彈的發(fā)射，敵方情況的監(jiān)測(cè)等對(duì)定位的實(shí)時(shí)性要求就非常強(qiáng)，如果位置信息的更新頻率過慢，快速移動(dòng)的物體給人的感覺還是停滯不前就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。（3）能耗在WSN中節(jié)點(diǎn)的電能靠電池來供應(yīng)，因此節(jié)省能量就成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要的問題。在WSN中節(jié)點(diǎn)定位算法要求計(jì)算復(fù)雜度低，能耗效率高，采用不同的定位技術(shù)能耗相差很大。另外，還有如定位技術(shù)的擴(kuò)展性、魯棒性和節(jié)點(diǎn)帶寬的占用等，對(duì)于動(dòng)態(tài)加入和退出的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位的自由轉(zhuǎn)換，定位算法能夠自我尋找新的節(jié)點(diǎn)代替原有節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行定位服務(wù)。40定位的精度和傳感器節(jié)點(diǎn)的能量這個(gè)矛盾還是目前比較棘手的問題?，F(xiàn)有的定位算法根據(jù)是否需要采用絕對(duì)的距離和角度信息來進(jìn)行位置估算，可分為測(cè)距定位和非測(cè)距定位。不論使用那種定位方法，節(jié)點(diǎn)在定位過程中都有誤差的累積，同時(shí)節(jié)點(diǎn)定位的通信消耗也很大。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的定位面臨著以下挑戰(zhàn)：①大小限制和制造成本排除了在節(jié)點(diǎn)使用復(fù)雜硬件的可能。②節(jié)點(diǎn)的高密度分布需要精確的定位。③傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，限制了節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直接交流。④能量限制的要求。416.1.3 網(wǎng)絡(luò)跟蹤技術(shù)簡(jiǎn)介

1．概述比較成熟的目標(biāo)跟蹤技術(shù)有兩種：一種是基于GPS定位技術(shù)的跟蹤，另一種是基于雷達(dá)的定位跟蹤。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤是指在資源受限的條件下，通過節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作采集數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和處理，并對(duì)參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)組進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)估計(jì)。無線傳感器目標(biāo)跟蹤實(shí)質(zhì)上是節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作的過程。例如，參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)的規(guī)模、節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)刻、信息傳播方式、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)長(zhǎng)等。這些都需要綜合任務(wù)要求、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等具體因素進(jìn)行確定。首先要對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，如果探測(cè)到目標(biāo)出現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在要求時(shí)間內(nèi)選擇合適的算法確定目標(biāo)的狀態(tài)，并且對(duì)目標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)測(cè)，將相關(guān)信息通知給周圍節(jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)，通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作確定目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置與軌跡。42目前，用于目標(biāo)跟蹤的傳感器節(jié)點(diǎn)有二進(jìn)制傳感器節(jié)點(diǎn)和多功能傳感器節(jié)點(diǎn)。雖然多功能傳感器節(jié)點(diǎn)的功能強(qiáng)大，但因成本較高、能量消耗大、系統(tǒng)冗余性差、算法復(fù)雜等許多缺點(diǎn)而不能大規(guī)模使用。這就使得二進(jìn)制傳感器網(wǎng)絡(luò)(BWSN)逐漸成為一種新的和具有巨大應(yīng)用前景的目標(biāo)定位跟蹤平臺(tái)。432．研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的最新的研究動(dòng)向包括采用人工智能來提高跟蹤性能和基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合。機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的基本流程為遞推過程。傳感器接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)首先被考慮用于更新已建立的目標(biāo)軌跡，然后數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)用于測(cè)量／軌跡配對(duì)是否合理或正確。并根據(jù)跟蹤維持方法，即機(jī)動(dòng)識(shí)別和濾波預(yù)測(cè)，估計(jì)出各目標(biāo)軌跡的真實(shí)狀態(tài)。最后在新的測(cè)量到達(dá)之前，由目標(biāo)預(yù)測(cè)狀態(tài)可以確定下一時(shí)刻的跟蹤門中心和大小，并重新開始跟蹤過程的遞推循環(huán)。，其基本原理框圖如圖6.4所示隨著跟蹤技術(shù)的不斷發(fā)展，目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的界限日益模糊，但跟蹤的基本原理大同小異。其基本內(nèi)容包括：44圖6.4機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤基本原理框圖隨著跟蹤技術(shù)的不斷發(fā)展，目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的界限日益模糊，但跟蹤的基本原理大同小異。其基本內(nèi)容包括：①濾波與預(yù)測(cè)。濾波和預(yù)測(cè)的目的是估計(jì)當(dāng)前和未來時(shí)刻目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括目標(biāo)的位置、速度和加速度等。基本的濾波方法有維納濾波、最小二乘濾波、α-β濾波和卡爾曼濾波等。45②機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型。機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型是指描述目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，估計(jì)理論特別是卡爾曼濾波理論要求建立數(shù)學(xué)模型來描述與估計(jì)問題有關(guān)的物理現(xiàn)象。經(jīng)典的模型包括加速度時(shí)間相關(guān)模型、相關(guān)高斯噪聲模型、變維濾波器、交互多模算法、機(jī)動(dòng)目標(biāo)“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型等。③數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程是將候選軌跡與已知目標(biāo)軌跡相比較，并最后確定正確的觀察／軌跡配對(duì)的過程，正確地判定測(cè)量信息的來源是有效維持目標(biāo)跟蹤的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的研究包括最佳批處理算法、“最近鄰”濾波、概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)濾波方法、聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)濾波方法、“全鄰”最優(yōu)濾波器、多假設(shè)跟蹤方法等，并有更多的新的相關(guān)學(xué)科研究成果應(yīng)用于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集理論等。46（2）跟蹤過程WSN的目標(biāo)跟蹤實(shí)質(zhì)是協(xié)作跟蹤的過程。通過節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，就能在資源受限的條件下得到比單個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立跟蹤更加精確的結(jié)果。WSN跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵問題在于如何共享數(shù)據(jù)信息、協(xié)作處理數(shù)據(jù)和管理參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)組，比如哪些節(jié)點(diǎn)參與跟蹤、何時(shí)喚醒參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)、跟蹤信息的傳播方式范圍、如何傳送跟蹤數(shù)據(jù)給控制節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)需要多長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行通信等，這些都需要綜合具體任務(wù)要求、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等加以確定。47圖6.5是面向目標(biāo)跟蹤的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系圖。目標(biāo)跟蹤過程通常包括檢測(cè)、定位和通告三個(gè)主要階段，在不同的階段采用不同的技術(shù)。在目標(biāo)跟蹤過程中，探測(cè)到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)交換偵測(cè)數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，并通過一定的網(wǎng)絡(luò)自組織機(jī)制使目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向上的節(jié)點(diǎn)及時(shí)動(dòng)態(tài)地加入或撤出跟蹤節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)跟蹤的一般過程如下：48①檢測(cè)階段在檢測(cè)階段，可以選擇紅外、超聲或者振動(dòng)技術(shù)偵測(cè)目標(biāo)是否出現(xiàn)。如果移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍，節(jié)點(diǎn)就會(huì)廣播出目標(biāo)消息，節(jié)點(diǎn)的ID、節(jié)點(diǎn)自身的位置等消息。②定位階段在定位階段，通過多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)互相協(xié)作，采用多邊測(cè)量、雙元檢測(cè)等算法確定目標(biāo)的當(dāng)前位置，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置的歷史數(shù)據(jù)來估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。定位節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，得到目標(biāo)的估計(jì)位置。根據(jù)連續(xù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的兩個(gè)估計(jì)位置信息可以進(jìn)一步估算出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向等信息。定位階段另一個(gè)任務(wù)是對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行擬合，對(duì)目標(biāo)軌跡的預(yù)測(cè)及擬合越準(zhǔn)確，但是計(jì)算代價(jià)和通信代價(jià)會(huì)隨之上升。49③通告階段通告階段是節(jié)點(diǎn)交換信息的階段，主要是廣播目標(biāo)的預(yù)估軌跡，通知和啟動(dòng)軌跡附近的節(jié)點(diǎn)加入目標(biāo)跟蹤過程。在定位階段得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡之后，由執(zhí)行定位算法的節(jié)點(diǎn)將目標(biāo)預(yù)測(cè)軌跡周圍的處于休眠狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)激活，讓它們加入到跟蹤過程中來。同時(shí)，通過多跳傳輸?shù)姆绞綄⒛繕?biāo)定位結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。WSN的目標(biāo)跟蹤需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：50①目標(biāo)的偵測(cè)WSN根據(jù)采樣節(jié)點(diǎn)的感知信號(hào)判斷目標(biāo)的有無。目前，對(duì)于目標(biāo)的偵測(cè)，主要分為主動(dòng)偵測(cè)和被動(dòng)偵測(cè)。主動(dòng)偵測(cè)指目標(biāo)所發(fā)出的信號(hào)類型是已知的，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的特性以明確的偵測(cè)手段進(jìn)行偵測(cè)。被動(dòng)偵測(cè)指節(jié)點(diǎn)不知道目標(biāo)的具體特征，只能通過目標(biāo)具有的普遍特征，如紅外線、聲波、電磁波等來對(duì)其進(jìn)行偵測(cè)。由單個(gè)節(jié)點(diǎn)來確定目標(biāo)出現(xiàn)的方式易實(shí)現(xiàn)，但是虛警率大?；诙鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)信息的目標(biāo)判決融合機(jī)制，大大減小了虛警率。增加了通信能耗。所以通常將這兩種方法結(jié)合使用，首先由單個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)可能出現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行偵測(cè)，然后通過判決融合機(jī)制進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)是否出現(xiàn)進(jìn)行判定。51②節(jié)點(diǎn)的自組織和路由傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，它沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等。這樣在目標(biāo)跟蹤過程中就必須考慮局部節(jié)點(diǎn)的自組織及路由問題，可采用以下幾種方式：靜態(tài)局部集中式。是一種層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)部署階段，按照一定的機(jī)制對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇并選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)將采樣到的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過簇頭間的路由傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)局部集中式。在上一種方法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了動(dòng)態(tài)局部集中式方法。

這種方法是在目標(biāo)跟蹤過程中，通過一定的準(zhǔn)則動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生簇頭。在目標(biāo)離開本簇偵測(cè)范圍后，產(chǎn)生新的簇頭，原來的簇頭回到普通偵測(cè)狀態(tài)，這是目前比較流行的方法。52單點(diǎn)式。在目標(biāo)跟蹤過程中，始終只有一個(gè)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)在跟蹤目標(biāo)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)測(cè)量值的獲取及目標(biāo)位置的估計(jì)、更新。隨著目標(biāo)的移動(dòng)，當(dāng)前時(shí)刻的簇頭節(jié)點(diǎn)從它的鄰居節(jié)點(diǎn)中選取信息量最大的節(jié)點(diǎn)成為下一時(shí)刻的簇頭節(jié)點(diǎn)，并將自身設(shè)置為空閑狀態(tài)。該方法能有效地減少通信開銷，但是由于其只利用了信息量最大的節(jié)點(diǎn)，所以跟蹤精度不高。序貫式。序貫式算法的主要思路是先將多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行重要性排序，根據(jù)排序來確定滿足的優(yōu)先級(jí)，然后再針對(duì)優(yōu)先級(jí)從高到低的順序來進(jìn)行多次的單目標(biāo)計(jì)算。

每次計(jì)算時(shí)將優(yōu)先級(jí)較高的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果作為優(yōu)先級(jí)較低的優(yōu)化計(jì)算的剛性約束，最后得到一個(gè)趨優(yōu)化解。但是，需要重點(diǎn)考慮代碼傳輸帶來的通信開銷。53③節(jié)點(diǎn)的協(xié)同信息感知節(jié)點(diǎn)的協(xié)同跟蹤需要解決的主要問題是跟蹤節(jié)點(diǎn)的選取，初始簇頭的選取及簇頭的順次移交。在跟蹤節(jié)點(diǎn)的選取上，要盡量選擇離目標(biāo)較近的節(jié)點(diǎn)參與跟蹤，這樣可以最大化有效數(shù)據(jù)量；在初始簇頭及序貫簇頭的選取上，要遵循的原則是盡量選取離目標(biāo)較近的且剩余能量較大的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)簇頭，因?yàn)榇仡^的合理選取不僅可以使信息收益最大化，保證跟蹤任務(wù)的精度要求，而且還能減小跟蹤過程中的通信開銷，平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗。54④目標(biāo)定位WSN目標(biāo)跟蹤的目的之一就是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，可以把跟蹤目標(biāo)當(dāng)成一個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)跟蹤目標(biāo)的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤可以分為單一目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤兩種；根據(jù)目標(biāo)外形又可分為點(diǎn)目標(biāo)跟蹤和面目標(biāo)跟蹤；按照傳感器運(yùn)動(dòng)方式可將基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤分為靜態(tài)目標(biāo)跟蹤和移動(dòng)目標(biāo)跟蹤。目前已經(jīng)開發(fā)了多種WSN目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，如MIT的Cricket系統(tǒng)。比較有影響的目標(biāo)跟蹤算法有CTS(CooperativeTrackingSensors)目標(biāo)跟蹤算法，ATT(AdaptiveTargetTracking)算法和粒子濾波(ParticleFilter)跟蹤算法。553.研究熱點(diǎn)及存在問題在目標(biāo)跟蹤過程中，需要考慮的指標(biāo)有能力消耗、跟蹤精度、跟蹤的魯棒性和跟蹤反應(yīng)時(shí)間等。消耗能量主要部分有傳感器、處理器、通信，其中最主要的是通信能來消耗。在活動(dòng)目標(biāo)跟蹤中，要考慮傳感器的偵測(cè)周期和安放策略以減少傳感器的能量消耗，設(shè)計(jì)有效算法減低處理器的功耗，減少數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)間的交互以節(jié)約通信能量。然而要提供跟蹤的精度就要融合較多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采取比較復(fù)雜的算法或傳輸較多的信息?？梢钥闯瞿芰肯暮透櫨仁且粚?duì)矛盾。跟蹤的魯棒性是指在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓驍?shù)據(jù)丟失的情況下，跟蹤算法都能夠恢復(fù)和繼續(xù)進(jìn)行。跟蹤的反應(yīng)時(shí)間是指或若干用戶想實(shí)時(shí)獲得跟蹤信息，則跟蹤算法和路由就必須考慮到時(shí)間延遲的問題。56116.2 WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂婆c覆蓋技術(shù)動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是WSN最大的特點(diǎn)之一，拓?fù)淇刂撇呗詾槁酚蓞f(xié)議、MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定了基礎(chǔ)。目前，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層中沒有明確的層次對(duì)應(yīng)拓?fù)淇刂茩C(jī)制，但大多數(shù)的拓?fù)淇刂扑惴ㄊ遣渴鹩诮橘|(zhì)訪問控制層(MAC)和路由層(Routing)之間的，它為路由層提供足夠的路由更新信息，反之路由表的變化也反作用于拓?fù)淇刂茩C(jī)制，MAC層可以提供給拓?fù)淇刂扑惴ㄠ従影l(fā)現(xiàn)等消息。WSN的拓?fù)淇刂茊栴}是通過控制傳感器節(jié)點(diǎn)與無線通信鏈路組成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩詠頊p少網(wǎng)絡(luò)能量消耗與無線干擾，并有效改善整體網(wǎng)絡(luò)的連通性、吞吐量與傳播延時(shí)等性能指標(biāo)。59在WSN中，網(wǎng)絡(luò)的部署必須滿足兩個(gè)方面：（1）保證感知覆蓋、通信覆蓋和連通覆蓋的前提下，用最少的節(jié)點(diǎn)覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域。（2）在保證信息和控制命令在網(wǎng)絡(luò)中順暢傳輸?shù)那疤嵯?，盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。覆蓋問題描述了網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理世界的感知狀況，反映了網(wǎng)絡(luò)所能提供的“感知質(zhì)量”。目前覆蓋問題已經(jīng)與保證網(wǎng)絡(luò)連通性、有效利用節(jié)點(diǎn)能量、動(dòng)態(tài)覆蓋等問題結(jié)合起來，內(nèi)涵和外延都得到了很大的擴(kuò)充。對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的綜合考察有助于了解是否存在監(jiān)測(cè)和通信盲區(qū)，從而重新調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)分布，或者分析在將來添加傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)可采取的改進(jìn)措施。606.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)簡(jiǎn)介1.概述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互連接的形式。傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢愿鶕?jù)節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)與否（動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的）和部署的可控與否（可控的或不可控的）分為如下四類。①靜態(tài)節(jié)點(diǎn)、不可控部署。靜態(tài)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地部署到給定的區(qū)域。這是大部分拓?fù)淇刂蒲芯克鞯募僭O(shè)，對(duì)稀疏網(wǎng)絡(luò)的功率控制和對(duì)密集網(wǎng)絡(luò)的睡眠調(diào)度是兩種主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)。②動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)、不可控部署。這樣的系統(tǒng)稱為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。其挑戰(zhàn)是無論獨(dú)立自治的節(jié)點(diǎn)如何運(yùn)動(dòng)都要保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。功率控制是主要的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)。③靜態(tài)節(jié)點(diǎn)、可控部署。節(jié)點(diǎn)通過人或機(jī)器人部署到固定的位置。拓?fù)淇刂浦饕峭ㄟ^控制節(jié)點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)的，功率控制和睡眠調(diào)度雖然可以使用，但已經(jīng)是次要的了。61④動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)、可控部署。在這類網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠相互定位。拓?fù)淇刂茩C(jī)制融入移動(dòng)和定位策略中，因?yàn)橐苿?dòng)是主要的能量消耗，所以節(jié)點(diǎn)間的能量高效通信不再是首要問題。WSN的拓?fù)淇刂茊栴}是對(duì)于固定或具有移動(dòng)特征的WSN，通過控制傳感器節(jié)點(diǎn)與無線通信鏈路組成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩詠頊p少網(wǎng)絡(luò)能量消耗與無線干擾，并有效改善整體網(wǎng)絡(luò)的連通性、吞吐量與傳播延時(shí)等性能指標(biāo)。給定一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，WSN拓?fù)淇刂埔部梢砸话阈缘乜偨Y(jié)為在全網(wǎng)協(xié)作式地進(jìn)行各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)功率控制（傳輸半徑調(diào)節(jié)），從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)能量消耗與無線干擾減少的目的。對(duì)于自組織的WSN而言，良好的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。622.研究?jī)?nèi)容與應(yīng)用技術(shù)WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇壳爸饕难芯繂栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和擴(kuò)展性的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前拓?fù)淇刂蒲芯恳话阋阅芰扛咝ё鳛橹饕O(shè)計(jì)目標(biāo)，并集中于功率控制和睡眠調(diào)度兩個(gè)方面。（1）功率控制功率控制的基本思想是通過調(diào)整發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)功率來影響節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)的覆蓋范圍，進(jìn)而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)降低對(duì)鄰近節(jié)點(diǎn)的干擾，最終提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性能。主要目的是在保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋度的前提下使得節(jié)點(diǎn)的能量消耗最小，同時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)的容量、降低通信干擾。63功率控制對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的性能影響在以下五個(gè)方面：①功率控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量有效性的影響；②功率控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響；③功率控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的影響功率控制則可通過降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率減小網(wǎng)絡(luò)中的沖突域，降低網(wǎng)絡(luò)的平均競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度。④功率控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響通過功率控制技術(shù)可以有效減小網(wǎng)絡(luò)中的沖突域，從而降低通信沖突的概率。功率控制在以上兩方面均起到了提升網(wǎng)絡(luò)容量的作用。⑤功率控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的影響功率控制可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，策略性地改變節(jié)點(diǎn)的發(fā)射距離，從而使網(wǎng)絡(luò)具有較好的實(shí)時(shí)性能。64（2）睡眠調(diào)度

睡眠調(diào)度的基本思想是通過關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn)來降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。事實(shí)上，無線通信模塊在空閑偵聽時(shí)的能量消耗與在收發(fā)狀態(tài)時(shí)相當(dāng)，覆蓋冗余也造成了很大的能量浪費(fèi)。所以，只有使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)才能大幅度地降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。這對(duì)于節(jié)點(diǎn)密集型和事件驅(qū)動(dòng)型的網(wǎng)絡(luò)十分有效。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂扑惴ㄖ校藗鹘y(tǒng)的功率控制和層次型拓?fù)淇刂苾蓚€(gè)方面之外也提供了啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制。該機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)設(shè)置通信模塊為睡眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)自動(dòng)醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種機(jī)制的引入，使得無線通信模塊大部分時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)，只有傳感器模塊處于工作狀態(tài)。由于無線通信模塊消耗的能量遠(yuǎn)大于傳感器模塊，所以這進(jìn)一步節(jié)省了能量開銷。653．研究熱點(diǎn)與設(shè)計(jì)原則功率控制主要考慮如何降低網(wǎng)絡(luò)的通信代價(jià)，睡眠調(diào)度主要考慮如何降低網(wǎng)絡(luò)的空閑能耗，然而很少有工作將二者結(jié)合起來考慮。再則，拓?fù)淇刂蒲芯咳狈碚摶A(chǔ)，大多數(shù)的工作僅僅是通過有限規(guī)模的模擬或者少量節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)來代替理論分析。還有，諸如算法的優(yōu)劣難以度量，算法的實(shí)用性較差，研究成果不具有充分說服力等。在拓?fù)淇刂浦幸话阈枰紤]的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：①能量消耗。如何合理利用傳感器節(jié)點(diǎn)的能量問題一直都是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一，因此能量?jī)?yōu)化也必然成為無線多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康囊粋€(gè)重要目標(biāo)。66②覆蓋度。生成的拓?fù)浔仨毐ＷC足夠大的覆蓋度，即覆蓋面積足夠大的監(jiān)視區(qū)域。衡量全網(wǎng)覆蓋情況有一個(gè)量化指標(biāo)—平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋。③連通性。為了實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)間的相互通信，生成的拓?fù)浔仨毐ＷC連通性，即從任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送消息到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)。連通性是任何無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ǘ急仨毐ＷC的一個(gè)重要性質(zhì)。④算法的分布式程度。在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)只能依據(jù)自身從網(wǎng)絡(luò)中收集的信息做出決策。另外，任何一種涉及節(jié)點(diǎn)間同步的通信協(xié)議都有建立通信的開銷。同步消息產(chǎn)生的開銷要多于數(shù)據(jù)消息，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開銷大大增加，從而使得網(wǎng)絡(luò)的生存期縮短。67⑤網(wǎng)絡(luò)延遲。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，低發(fā)射功率會(huì)帶來較小的端到端延遲。而在低負(fù)載情況下，低發(fā)射功率會(huì)帶來較大的端到端延遲。⑥干擾和競(jìng)爭(zhēng)。減少通信干擾、減少M(fèi)AC層的競(jìng)爭(zhēng)和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期基本上是一致的。功率控制可以調(diào)節(jié)發(fā)射范圍，層簇式網(wǎng)絡(luò)可以調(diào)節(jié)工作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。這些都能改變一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，即與它競(jìng)爭(zhēng)信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)。⑦對(duì)稱性。由于非對(duì)稱鏈路在目前的MAC協(xié)議中沒有得到很好的支持，而且非對(duì)稱鏈路通信的開銷很大，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)能量小的特點(diǎn)而言是一個(gè)瓶頸，因此一般都要求生成的拓?fù)渲墟溌肥菍?duì)稱的。686.2.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋與部署技術(shù)簡(jiǎn)介1．概述（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋與部署的意義在WSN中，為了使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠完成目標(biāo)監(jiān)測(cè)和信息獲取的任務(wù)，必須保證傳感器節(jié)點(diǎn)能有效地覆蓋被監(jiān)測(cè)的區(qū)域或目標(biāo)，避免遺漏，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)任務(wù)目標(biāo)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方式影響監(jiān)測(cè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的位置分布，極大地影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。根據(jù)節(jié)點(diǎn)不同部署方式，可將覆蓋問題分為確定性覆蓋和隨機(jī)覆蓋兩大類。69①確定部署型傳感器網(wǎng)絡(luò)確定性覆蓋的網(wǎng)絡(luò)往往采用人為方式部署節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的位置確定，一般適用于環(huán)境狀況良好、人為可以到達(dá)的區(qū)域。覆蓋問題主要是考慮如何優(yōu)化節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的部署位置，用盡可能少的節(jié)點(diǎn)來達(dá)到應(yīng)用的覆蓋要求，降低網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本。確定性部署方式適用于環(huán)境狀況良好、定點(diǎn)部署代價(jià)低、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小的情況。采用確定性部署方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通常具有良好的網(wǎng)絡(luò)特性和業(yè)務(wù)特性，網(wǎng)絡(luò)資源使用合理，可最大限度地滿足用戶需求并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。其缺點(diǎn)是適用條件相對(duì)苛刻，難以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛的應(yīng)用需求。70②隨機(jī)部署型傳感器網(wǎng)絡(luò)它一般針對(duì)環(huán)境惡劣或存在危險(xiǎn)的地區(qū)，節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)、炮彈等載體隨機(jī)拋撒在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。隨機(jī)部署的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉，適用于惡劣環(huán)境或大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。覆蓋問題側(cè)重于考慮如何在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的前提下，合理地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)交替性地工作和睡眠，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。此外傳感器網(wǎng)絡(luò)在初次部署時(shí)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋可能達(dá)不到應(yīng)用要求，以及網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中可能由于節(jié)點(diǎn)失效而達(dá)不到預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)。在這些情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域中進(jìn)行增量部署，通過增加一些新的節(jié)點(diǎn)或者將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署到更合適的位置來改善網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)性能。71（2）WSN覆蓋分類按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，WSN覆蓋與部署方法可以劃分為多種類別，WSN覆蓋控制問題的各種協(xié)議和算法分類如圖6.6所示，72按照覆蓋對(duì)象分類則可劃分為區(qū)域覆蓋、點(diǎn)覆蓋和柵欄覆蓋，按照應(yīng)用特點(diǎn)分為能效覆蓋、連通性覆蓋和目標(biāo)定位覆蓋。①區(qū)域覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋是指在指定的區(qū)域中每一個(gè)點(diǎn)至少能被WSN中的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍所覆蓋。區(qū)域覆蓋所指的區(qū)域是指，與一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)范圍相比相對(duì)較大的連續(xù)區(qū)域。②點(diǎn)覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋了區(qū)域內(nèi)的某些特殊點(diǎn)，即小方塊為需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)。通常是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在需要監(jiān)控的有限個(gè)目標(biāo)點(diǎn)附近，保證每個(gè)目標(biāo)至少被一個(gè)節(jié)點(diǎn)覆蓋。一般地，點(diǎn)覆蓋問題需要確定覆蓋這些離散點(diǎn)所需的最少節(jié)點(diǎn)數(shù)，以及節(jié)點(diǎn)的位置。對(duì)于點(diǎn)覆蓋