传感器网络节点定位技术研究

基础之上建立的路游策略能明显的节约能量［２ ０ 。 ２ ９ １ 在安全方面， ８， ，３ 节点
的位置信息己知可以加强网络的安全性 （ 例如， 可以避免 ｗ ｒ ｈ ｌ攻击 ｏｍ ｏ ｅ ［ ， １。 ５５ ） ０１
１２３节点定位的技术背景 ．． 国 外 内 对传感器网 节点 位问 络中 定 题提出了 Ｐ ， Ｈｐ 许 如Ａ Ｉ Ｄ ｏ 等 Ｔ Ｖ
期。
４ ． 传感器网络不是一个静止的网络而是一个动态网络，因为某 个或某些传感器节点随时都有可能出现故障 （ 包括硬件设备
在落地时损坏或能量耗尽等等）或新节点加入，这样就需要
传感器网络具有一定的适应性和健壮性。
点定位问题 、目标跟踪、网络安全、路游等 问题 。
１２ ． 节点定位技术
１２１ ．． 节点定位技术的相关概念
传感器网络中每个节点在某个空间坐标系中确定自己空间位置的过
程称为节点定位 ‘ ” 。由无线传感器网络的特点知，给每个传感器节点配
备一个 Ｇ Ｓ Ｐ 接收器或事先为每个节点指定位置信息是不现实的， 因此我
多定位算法。本文首先介绍几种典型的定位解决方案，目 前一些定位算
法都是在这些算法的基础之上提出的。
．ＧＳ Ｐ 定位
Ｇ Ｓ ｏ ｌ ｔｎ ｇ ｔ 定位技术是指 Ｇ Ｓ ａＰｓｉ ｉ Ｓｓｍ） Ｐ （ｌ Ｇ ｂ ｏ ｏ ｎ ｙｅ ｉ Ｐ 接收器接收来自
太空中围绕地球的定位卫星的信号，记录不同卫星信号的到达时间，根
点的位置，而在传感器网络中很多研究的问题都需要知道节点的位置信 息。 ｕ ｓｎ Ｂ ｌ ｕ 等人指出， ｕ 传感器网络节点所采集到的数据必须结合其在测 量坐标系内的位置信息刁有意义，没有位置信息的数据几乎没有利用价 值。因此在无线传感器网络研究领域中节点定位问题显得很重要。只有 在网络中节点位置坐标 己知的情况下整个网络刁 能完成诸如 “ ‘ 什么位置 上发生了什么特定事件”这样的任务，刁 能完成针对某个给定地理区域 一 的查询，以及进行拓扑维护和管理等操作。例如 ，在环境监控、车辆跟 踪等领域都需要知道返回数据的位置信息。另外在节点位置信息已知的
络， 其目的是协作地感知、 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发给观察者。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网 络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理， 获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。
Ｌ ｃ ｌ ａｉｎ ｏ ａｉ ｔ ｚ ｏ
１ １
第 Ｉ 无线传感器网络
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展，具有感知能 力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。这些微 型传感器具有尺寸小、功耗低、制造成本低廉和处理能力有限等特点。 但是大量的传感器节点相互协作却可以对现实世界进行比较细致的监 测。 传感器网络是由一组传感器节点以Ａ Ｈ ｃ ｄ 方式构成的有线或无线网 ｏ
位节点的定位精度是节点定位的一个重要目 标。
１２２ ．． 节点定位的重要性
在无线传感器网络中的节点绝大多数情况下都是随机的分布在不适 合人进入的地区 （ 如战场、森林、沼泽地等） ，因此事先无法预知某个节
黑龙江大学硕士学位论文
亩百 亩日 右 亩 亩 亩曰邑曰亩曰口目亩曰 巨 目口 亩亩 ．日
ｗ ｙ ｒ ｈ ｅｄ ｆ ｅｔ ｕ ｔ ｃ ａ ｏ ｇ ｐ ｕｄｒ ｅ ｎｃ ｃｍｓ ｎｅ ｆ ａ ｎ ｉｒ ｉ ｆ ｒ ａ
Ｋ ｙ ｏｄ： ｓｒ ｗ ｒ， ｉ ａ Ｎ ｄｓ ａｚｔｎ Ｍｏｉ Ｎ ｄｓ ｅｗ ｒｓ Ｓｎｏ Ｎ ｔｏ Ｓ ｔ ｎｒ ｏｅ Ｌ ｃｌａｏ， ｂｅ ｅ ｅ ｅ ｋ ｔ ｏ ｙ ａ ｏ ｉｉ ｌ ｏ
第 １ 前言 章
日亩亩‘困亩亩亩．．亩‘亩亩 亩目
５ ． 传感器网络中节点具有有限的计算能力、存储能力和通信能
力，目前大部分节点处理器工作频率只有十兆左右 ，Ｒ ｍ 空 ａ
间只有 Ｉ Ｏ Ｋ左右，通信半径 １０ 左右，通信带宽有限等这 ５ｍ 些限制就要求编制的程序尽量简单。 这些特点决定了一些传统的算法不适用于无线传感器网络。也是由 于以上特点给无线传感器网络带来了一些新的研究内容。如：传感器节
位精度高、定位延时小等特点。在文 章最后基于以 上两种算法实现了一
个传感器节点定位原型系统，给出了在节点布置环境不同时的定位精度 和能量损耗实验结果。
关键词：传感器网络 静止节点定位 运动节点定位
黑龙江大学硕士学位论文
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ
Ｔ ｅ ｂ ｍ ｏ ｌａｏ ｂｃｍ ｓ ｅ ｍ ｅ ｏ ａｔ ｌ ｅ ｏ ｌ ａｚｔｎ ｏ ｅ ｍ ｒ ａｄ ｒ ｉｐｒｎ ｗ ｉ ｈ ｐｏｌ ｆ ｉ ｉ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｔ ｈｅ ｔ ｒ ｅｒ ｏ ｔ ｗｒｅｓ ｓｒ ｗ ｒｓ ｏ ｅ ｒ ｄｅｌ ． ｅ ｈ ｅ ａ ｈ ｈ ｉｌ ｓ ｏ ｎｔｏ ｂｃｍ ｍｏ ｅｐ Ｓｍ ｅ ｃ ｆ ｓ ｅ ｅ ｓ ｅ ｎ ｅ ｋ ｅ ｅ ｙ ｏ ｐ ｂ ｍ ｃｎ ｓｌ ｄ ｌ ｏｌ ｗ ｅ ｔ ｓ ｓｒ ｄｓ ｏ ｔ ｉ ｒ ｌ ｓ ｂ ｏ ｅ ｗ ｌ ｙ ｎ ｅ ｏ ｎ ｅ ｋ ｗ ｅ ｏｅ ａ ｅ ｖ ｅ ｎ ｈ ｈ ｎ ｅ ｏ ｎ ｈｒ
事实上能量主要消耗在无线通信中。因为只有有限的能量，
所以传感器网络有一定的生命期，在能量耗尽时生命期结束。
在有些应用情况下传感器节点可回收，而在许多情况下 （ 如 森林监测） ，传感器节点则不可回收。因此，不像其他传统网 络注重信道吞吐率，传感器网络中主要注重延长系统的生命
ｐ ｓｉ ． ｏｉ ｎ ｔ ｏ Ｉ ｔ ｓ ｅ ｔ Ｌ Ｒ ａ ｏ ｔ ｎ ｔ ｐｒ Ｎ Ｂ Ｃ ｇｒｈ ａｄ ＭＮ Ｅ Ｒ ｇｒｈ ｉ ｎ ｐ ｈ ａ ｈ ｉ ｅ ｌ ｉ ｍ ｈ ｅ Ｐ Ｂ ａ ｏ ｔ ｓ ｌ ｉ ｍ
ｐｅｅｔ ｔ ｓｔ ｎｒ ｄ ｂ ｅ ｓｒ ｅ ｒ ｐｃｖｌ ． Ｎ Ｂ Ｃ ｒ ｎ ｄ ｔｉ ａ ａ ｍ ｉ ｓ ｏ ｎｄｓ ｅｔｅ Ｔ ｅ Ｒ ｓ ｅ ｏ ｏ ｙ ｎ ｏ ｌ ｅ ａ ｎ ｏ ｅ ｉ ｙ ｈ Ｌ ｓ
据这些时间计算自 身的位置。虽然 Ｇ Ｓ具有简单易用等特性，但 Ｇ Ｓ Ｐ Ｐ
存在许多不适合于无线传感器网络的因素。第一，Ｇ Ｓ只能工作在露天 Ｐ
环境中； 而ＷＳ （ ｉｌｓ ｏＮｔｏ ） Ｎ ｒｅ Ｓｎ ｒ ｒ 在许多 Ｗ ｅｓ ｅｓ ｅ ｋ ｗ 情况下是布置在室内
的。第二，Ｇ Ｓ接收器价格昂贵并不适合安装在微型且廉价的无线传感 Ｐ
信息，并只能以Ａ Ｈ ｃ 方式工作。 ｄ ｏ ２ ． 在大多数情况下，节点一但布置完成，节点就在无人干预的 情况下独立运行。因此，在有任何改变出现时节点都要独立
地对产生的变化做出反应。以战区监测为例 ，一旦节点被洒
入战区，就不会再有人去干预节点的运行或维护节点。因为 这些节点的位置未知，且数量巨大。 ３ ． 传感器节点在一般情况下不与任何能量源连接，而只有自身 携带的有限的能量。 我们必须尽量减少数据处理过程和通信。
１１１ ． 无线传感器网络的特点 ．
传感器网络除了具有传统 Ａ Ｈ ｃ网络的特点之外还还有其自身的 ｄ ｏ
特点：
１ ． 大多数传感器节点在某区域内的布置都是随机的、 无结构的。
在森林监测中一个典型的布置方式是飞机抛洒。在这种情况
下节点间的相对位置事先是未知的，需要更新其连接和分布
ｍ ｔ ｄ ｓ ｔ ｍ ａｓ ｂ ａｃｓｎ ｉ ｄ ｆ ｅｔ ｇ Ｉｈｓ ｅ ｅ ｏ ｒ ｂ ｈ ｅｎ ｏ ｒ ｄａ ｉ ｎ ｅ ｎ ｒ ｅ一ｔ ｓｍ ｈ ｕ ｙ ｎ ｅ ｆ ｏ ｔ ｇ ｉ ｒ ａ ｆ ｎ ａ ｏ
ｃａ ｃ ｒ ｈ ｅｅ ｙ ｉｅｔ ｈ ｈ ｕ ｃ ， ａｃｄ ｙ ａ ａｄ ｈｒ ｔ ｓｃ ａ ｎｒ ｅ ｃ ｎ ． ｉ ａｃｒ ｙ ａ ｎｅ ｐ ｌ ｄ ａ ｅ ｕ ｓ ｇ ｆ ｉ ｆ ｇ ｃ ａ ｂｌ ａｏ ｎ ｉ ｉ ｒ ｏ ｄｐ ｙ ｆｔｇ ｄｍ ｅｌ ｅ Ｔ ｅ ｔ ｅ ｕｓ ｉ ｕｅ ｉ ｏ Ｎ Ｅ Ｒ ｔｎ ａ ｎ ｏ ｔ ｃ． ｈ ａ ｉ ｒ ｅ ｓ ｄ ｔ Ｍ Ｐ Ｂ ｃｖ ｅ ｔ ｓ ｎ ｑ ａ ｏｉｍ ．Ｔ ｅ ａ ｓｍ ｃａ ｃ ｒ ｎ ＭＮ Ｅ Ｒ ｕｈ ｌ ｌ ｒｈ ｇ ｔ ｈｒ ｒ ｏ ｅ ｒ ｔｓ ｅ ｅ ｈ ａ ｅ ｉ Ｐ Ｂ ｓｃ ａ ｏ ｓ ｗ ｃｍ ｕｉ ｔ ｎ ｔ ｈ ｈ ａｚｔｎ ｕ ｃ ａｄ ａ ｄｌ ｅ ． ｔ ｏ ｍ ｎ ａｏ ｃｓ，ｉ ｌ ｌａｏ ａｃｒ ｙ ｓ ｌ ｅ ｙ Ａ ｔ ｃｉ ｏ ｇ ｏ ｉ ｉ ｃ ａ ｎ ｍ ｌ ｔ ｃ ａ ｃ ｈ ｅ ｅｄ ｔｓ ｅ ａ ｐｒ ｓｓｍ ｒ ｓｒ ｅ ｌ ａｚｔ ｎ ｅｌｅ ｎ ｏ ｈ ｐｐｒ ｐｏｅｙ ｔ ｆ ｓ ｏ ｎｄｓ ｌａｏ ｉｒ ｉ ｄ ｆ ａ ， ｉ ｒ ｔ ｙｅ ｏ ｅ ｎ ｏ ｏ ｉ ｉ ｓ ｚ ｃ ａ ａｄ ａｃｒ ｙ ｐｓｉ ｅ ｉａｏ ａｄ ｃｓｏ ｅｅ ｙ ｉ ｎ ｈ ｎ ｔ ｃｕａ ｏ ｏｉ ｎ ｍ ｔｎ ｔ ｏｔ ｎｒ ｉｇ ｅ ｉｔ ｈ ｅ ｃ ｆ ｔ ｓ ｉ ｎ ｈ ｏ ｔ ｅ ｆ ｇ ｓ ｎ ｖ ｅ
抛洒大量传感器，那么战区的地貌特征、天气情况和敌方部队的动向等
信息在网络生命期之内将源源不断地报告给指挥官。传感器网络可以使
人们在任何时间、任何地点和任何条件下获取大量详实可靠的信息。因
此传感器网络系统可以被广泛地应用于国防、军事、安全、环境监测、 交通管理、医疗卫生等许多领域。
黑龙江大学硕士学位论文
中文摘要
中文摘要
随着对无线传感器网络研究的不断深入，节点定位问题越发显得重
要。传统的定位方式有许多不适合传感器网络的地方，需要设计适合传
感器网络的定位技术。
本文主要针对传感器节点静止和运动情况下的定位技术进行了研 究，提出Ｎ Ｂ Ｃ和 Ｍ Ｐ， ＬＲ Ｎ Ｆ Ｒ两种定位算法。 Ｌ Ｒ Ｂ Ｎ Ｂ Ｃ算法主要真对节 点静止情况，该算法采用分半径广播方式工作，具有通信量小、定位精 度高、节点负载均衡、 适合随机布置情况等特点。 Ｎ Ｅ Ｒ算法上要针 Ｍ ＰＢ 对节点运动情况，该算法采用主动请求定位方式，具有通信代价低、定