無(wú)線傳感網(wǎng)定位與仿真論文

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1、目錄1引言12定位技術(shù)22.1基本概念和算法22.1.1感器節(jié)點(diǎn)定位的基本概念22.1.2基本術(shù)語(yǔ)22.1.3計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的基本方法32.1.3定位算法分類52.2基于距離的定位62.2.1基于TOA的定位62.2.2基于TDOA的定位72.2.3基于AOA的定位72.2.4基于RSSI的定位92.3距離無(wú)關(guān)的定位算法92.3.1質(zhì)心算法102.3.2DV-HOP算法102.3.3APIT算法123算法實(shí)現(xiàn)與仿真143.1仿真的硬件平臺(tái)143.2TinyOS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境與nesC編程語(yǔ)言143.2.1nesC

2、編程語(yǔ)言143.2.2TinyOS系統(tǒng)153.3基于RSSI信號(hào)傳播的理論模型的DV-HOP定位算法173.4用TinyOS的TOSSIM及圖形化工具TinyViz進(jìn)行仿真214結(jié)語(yǔ)26致謝27參考文獻(xiàn)28附錄28241引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些相互配合的節(jié)點(diǎn)組織成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有處理能力（有一個(gè)或多個(gè)微控制器，CPU或DSP芯片），還可包括多種類型的存儲(chǔ)器（程序，數(shù)據(jù)和閃存），一個(gè)射頻收發(fā)器（能常是用一個(gè)全方位的定向天線），電源（如電池和太陽(yáng)能電池），和各種傳感器、執(zhí)行器。這些節(jié)點(diǎn)被部署在一個(gè)特定

3、的環(huán)境中后，它們通常通過(guò)自組織的形式，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，每年都會(huì)召開(kāi)很多的會(huì)議。在眾多的研究熱點(diǎn)問(wèn)題中出了MAC（介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議）、路由、時(shí)鐘同步、電源管理這些問(wèn)題之外，最重要的便是節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)定位是確定在系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地理位置的問(wèn)題。定位問(wèn)題對(duì)于WSN來(lái)說(shuō)是必須解決的最基本的問(wèn)題之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，事件發(fā)生的位置是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和應(yīng)用中需要的重要信息，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)往往沒(méi)有意義[1]。定位信息除用來(lái)報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還具有下列用途：目標(biāo)跟蹤，實(shí)

4、時(shí)監(jiān)視目標(biāo)的行動(dòng)路線，預(yù)測(cè)目標(biāo)的前進(jìn)軌跡；協(xié)助路由，如直接利用節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的地理路由協(xié)議，避免信息在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散等等。因此，確定事件發(fā)生的位置或獲取消息的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用起著關(guān)鍵的作用。雖然使用GPS來(lái)定位，比較常見(jiàn)成熟，但無(wú)線傳感網(wǎng)對(duì)成本、和電源有嚴(yán)格的限制，有些場(chǎng)合不適合用來(lái)定位。目前，主要解決方法是利用少量已知節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)定位算法，以獲得節(jié)點(diǎn)的信息。因此，要采用一定的定位機(jī)制與算法來(lái)實(shí)現(xiàn)WSN的節(jié)點(diǎn)定位。本論文在第二章對(duì)當(dāng)前的定位技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述

5、。在陳述了節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的基本概念和術(shù)語(yǔ)后，分析了計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的三種常見(jiàn)方法，包括三邊定位，三角定位，極大似然估計(jì)。根據(jù)定位算法定位時(shí)是否需要測(cè)量距離為標(biāo)準(zhǔn)，將無(wú)線傳感器的定位算法分為：基于距離的算法和距離無(wú)關(guān)的算法，前者著重分析了基于RSSI、TOA等測(cè)距的4種定位算法的的原理和思想；距離無(wú)關(guān)的定位算法講了質(zhì)心算法、DV-HOP、APIT算法的理論基礎(chǔ)和定位步驟等。最后對(duì)這幾種算法做了簡(jiǎn)單的比較，對(duì)不同的應(yīng)用提供參考。在第三章中，以信號(hào)傳播的理論模型為基礎(chǔ)，在Mica2硬件平臺(tái)，用TinyOS操作系統(tǒng)和nes

6、C語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)基于RSSI測(cè)距的DV-HOP定位算法，并利用TOSSIM進(jìn)行了仿真，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。定位算法的具體實(shí)現(xiàn)可以為將來(lái)實(shí)際定位系統(tǒng)提供一些借鑒。242定位技術(shù)2.1基本概念和算法2.1.1傳感器節(jié)點(diǎn)定位的基本概念在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身的位置，把傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（beaconnode）和未知節(jié)點(diǎn)（unknownnode）。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中所占的比例很小，可以通過(guò)攜帶GPS定位設(shè)備等手段獲得自身的精確位置。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是未知節(jié)點(diǎn)定位的參考點(diǎn)。除了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)外，其他

7、傳感器節(jié)點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)，它們通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息來(lái)確定自身位置。在如圖1所示的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，M代表信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，S代表未知節(jié)點(diǎn)。S節(jié)點(diǎn)通過(guò)與鄰近M節(jié)點(diǎn)或已經(jīng)得到位置信息的S節(jié)點(diǎn)之間的通信，根據(jù)一定的定位算法計(jì)算出自身的位置[2]。圖1　傳感器網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)2.1.2基本術(shù)語(yǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)（neighbornodes）：傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)，稱為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)；跳數(shù)（hopcount）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的跳段總數(shù)，稱為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)；跳段距離（hopdistance）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間間隔的各跳

8、段距離之和，稱為兩節(jié)點(diǎn)間的跳段距離；基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）：協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)定位的已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星、基站等；到達(dá)時(shí)間（timeofarrival，TOA）：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)間；到達(dá)時(shí)間差（timedifferenceofarrival，TDOA）：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差，稱為信號(hào)的到達(dá)時(shí)