文档介绍：1 绪论
课题来源和研究意义
IT 产业的高速发展,网络的普及,家电智能化以及单片机强有力的功能拓展, 使无线网络逐渐融入我们的生活,微电子技术、计算技术和通信技术的发展也推动了无线传感器技术的发展。
无线传感器网络是由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点构成,通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络。无线传感器网络融合了传感器、嵌入式计算、无线通信和分布式信息处理等多种技术,节点之间能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并对这些信息进行数据融合处理,尽可能将准确详尽的信息发送给终端用户。
无线通信技术具有广阔的应用前景,在医疗领域的跟踪治疗、移动观察、远程医疗、患者数据管理、药物跟踪等方面得到了新的应用。随着无线通信技术在国内外医疗市场得到了广泛的应用,无线医疗设备迅速增加,欧洲的无线医疗设备销售额从 2003 年的 9800 万增加到 2008 年的亿美元[1]。
除此之外,无线传感器网络在战场监督、目标跟踪、环境监测、燃料探测、智
能家居和智能交通系统等也有着广泛的应用,这些应用的一个共同特征就是需要获知无线传感器网络中节点自身的位置信息。无线传感器节点通常采用随机布置的方式,随机布置的节点无法事先知道自身位置。在大规模的传感器网络中,在网络初始化阶段为每个节点预设位置信息不可行,而为所有的节点安装 GPS 接收装置也会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制,甚至在某些场合无法实现。因此需要在布置传感器节点后进行实时定位。只有定位机制实施之后,才能实现传感器网络覆盖区域内的事件监测。
无线传感器网络中的定位技术包括两部分:节点的自定位技术和外部目标的探测定位,本文中讨论的定位技术主要指前者。无线传感器网络不同于其他网络[3],无线传感器节点通常部署在无人看护的恶劣环境下,以及用于地雷探测或战场目标跟
踪等军事领域。无线传感器网络自组织的特点,使传感器节点容易受到恶意攻击。
敌方可以通过注入恶意代码立即影响传感器节点,使节点产生故障;也可以在传感器网络中插入恶意节点,当恶意节点作为锚节点给未知节点提供错误的位置信息或者错误的测距信息时,就会得出错误的定位结果。当定位系统受到来自外部或者内部的攻击时,定位的性能会受到极大的影响。因此,无线传感器网络的安全定位是一个重要的研究课题。
本课题隶属于国家高技术研究发展计划(863 计划)专题“基于传感器网络的目标跟踪技术研究”,来源于 863 计划专项经费资助(2007AA01Z309)。
无线传感器网络中的定位技术介绍
无线传感器网络中的定位技术按照不同的划分方式[10]可以分为绝对定位和相对定位,集中式定位和分布式定位,紧密耦合和松散耦合,粗粒度定位和细粒度定位, 基于测距的定位和无需测距的定位。在基于距离的定位算法中,测距技术是影响定位精度的关键因素。常用的测距技术基于接收信号强度指示(RSS),基于信号传播时间/时间差/往返时间(TOA/TDOA/RTOF),基于到达角度的测距(AOA)等。基于测距的基本定位技术是三边测量法和接收角度测量法。本文的研究内容为基于测距的安全定位,下面将介绍现有的基于测距的传统定位方法。
基于测距的定位技术,通过测量和估计节点之间的距离,根据几何关系计算出节点之间的位置。解析几何中有多种方法确定空间中的点位置,比较常用的有三边测量法和接收信号角度的定位。
使用三边定位法,需要根据前面介绍的测距技术进行测距(可利用介绍的前四种)。在定位过程中,多次测量方程的个数大于变量的个数,就使用极大似然法(MLE, Maximum Likelihood Estimation)来获得最小均方差(MMSE,Minimum Mean Square Error)意义上的估计值。在使用极大似然法定位时,还可使用最小二乘法(LS,Least Square)获得定位的估计值。理想情况下的三边定位如图 1-3 所示,已知网络中有三个锚节点 A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc),待定位未知节点 O(x,y),到三个锚节点的距离分别为 dao,dbo,dco, 则有如下计算公式(1-1):
⎧(x − xa)2 + ( y − ya)2
⎪
⎨
⎪(x − xb)2 + ( y − yb)2
⎪
⎩
⎪(x − xc)2 + ( y − yc)2

= dao
= dbo
= dco

(1-1)
由式(1-1)进行矩阵运算,可以求出交点 O 的估计位置。图 1-3 所显示的
是理想状态下的求解定位,在实际定位中,由于测距误差和布置误差的存在,三个圆往往无法精确的相较于一点,需要采用其他的方法进行估计定位。
A B
O
C
图 1