初稿第一章绪论

1、第一章 绪论1.1 本课题研究背景及意义【Y】/【W】/【H-】/【Z-】随着无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）中微电子技术、无线通信技术、传感器技术的超速发展，具有多功能、低开销、高智能、高时效的传感器也在不同领域被大规模应用。WSN 是将大量微型廉价的传感器节点随机散布到某个实验区域内，采用无线通信方式而形成的一个自组织网络系统，传感器节点协同的感知、和处理目标对象的信息，并在网络中处理发布到的数据，发送给观察者，以实现对实验区域的监测，为观察者的决策提供支持【W-3,4】。WSN 的节点可用于随时监测众多的物理对象,包括温度、声音、湿度、电磁感应波、

2、重力、光照、运动形态、土壤成分、方向和速度等物理量【Y-1,2】，被广泛地应用于家庭、农业、生态、军事、环境、民防、健康和其它商业的领域里【Y-3,4】。商业以及MIT 技术评论认为WSN 是 21 实际最具的二十一项技术和改变世界的十大科技之一。WSN 是一种新型的智能无线网络，与无线局域网、蜂窝移动网、无线自组蓝牙、Wifi 等当前其他常见的无线网络相比又有其自身的特点，具体如下【Y-5,6】：(1)节点体积小、资源有限：WSN点集成度高，体积小，但同时电池能量储备低，且节点分布范围广、规模较大，能量不易补充。因此，节省能量是设计WSN 时的关键目标之一。(2)通信半径小，带宽较低：WSN

3、 的数据传输都不仅是利用一跳就可以实现低能耗的,因此其通信覆盖领域的半径一般不会超过几十米。网络中传输的数据信息的流量比较小都是基于经过节点处理后才达到的效果。(3)节点计算、水平有限： WSN点功耗较小，成本较低，这致使其计算能力较弱、空间有限。因此提高节点的资源利用率是 WSN 研究中的严峻之一。(4)节点数量多且有自适应能力：WSN在环境恶劣、位置偏僻的地方时，节点点分布密集且数量较多，若部署程度增加，甚至不可。因此，WSN 的通信协议必须具有可重组性、自适应性和高容错能力。(5)网络动态性强：WSN 中的观察者、监测对象和传感器三个关键都存在可移动性，且常常存在已有节点“”或者新的节点

4、参与其中。网络的拓扑结构产生变化，三个关键的路径也会随之变化。(6)以数据为中心：WSN 的关键部分是感知数据。以数据为整个网络的内容，就需要在组建网络的同时要把感知数据的处理和管理放在第一位，网络技术和数据库技术要做到相互融合。(7)无中心和自组织：WSN 中的所有节点都是的，利用分布式的方法来互相平衡，可以在无的情况下自组织成网络。没有预先设定中心，节点故障不会导致网络瘫痪，这使整个网络具有较好的抗毁性和鲁棒性。无线传感器网络作为一种新兴的技术，为科技研究者提出了许多具有性的研究课题，确定节点的位置信息就是其中之一。位置信息是不可或缺的一部分，传感器节点监测事件所收集的数据如果没有结合位置

5、信息，到的数据通常是毫无意义，离开了位置信息传感器网络就无法正常工作。确定自身的地理位置是节点进一步采取措施和做出决策的基础，节点只有在了解自身的准确位置后，才能监测目标的位置信息。事件发生之后，首要关心就是事件发生的位置。无线传感器网络中的节点由于往往缺乏全局性的唯一标识，一些传感器网络路由协议对数据进行选路时，通常利用传感器节点的位置信息。因此，传感器网络最基本的功能之一就是确定获取信息的节点位置【W-17】。【】传感器节点的在传感器网络中发挥着作用，网络中许多协事、环境监测、公共安全、对传感器网络的支持议或服务的实现都需要知道节点的位置。诸如抢险救灾、医疗卫生等诸多应用场合里，均需节点迄

6、今为止，科研学者们一直在致力于对定位算法的研究，实际上经过多年的努力，已经设计出多种定位算法，能够实现相对精确的定位。但由于无线传感器网络有花销、能耗以及节点的通信、和计算能力等硬件的限制，因此必须对算】法进行改进或者设计出更为有效的低功耗定位算法。【1.2 国内外研究现状【WSN 现状】首次提出 WSN大约是在 20 世纪的 70 年代，到了 20 世纪 80-90年代，WSN 的研究重心集中在军事方面，应用的范围也比较小，直到 20 世纪 90年代中后期，各界才对 WSN 进行高度重视，投入大量人力物力进行研究，使得WSN 的应用日渐广泛。【】1998 年，国防部提出了“智能尘埃”的概念；

7、2002 年，英特尔公司发布了 “基于微型传感器网络的新型计算发展规划”；2008 年 11 月IBM 提出“智慧地球”概念；2009 年 1 月，路，同年 8 月，IBM 又发布了 “智慧地球赢公开肯定了IBM “智慧地球”思”计划书【Z-8】。WSN 是“智慧地球”的技术之一。2009 年 9 月 15 日，欧盟发布了 “物联网研究路线图”，有涉及传感器和无线传感器网络的多个项目。在 2004 年就启动了WSN 研究计划，后来又提出 e-Japan，该希望能推动本国的整体信息通信技术(Information Communication Technology, ICT)基础建设。在 eJap

8、an基础上，随后提出了 u-Japan 构想；韩国在提出 u-Japan后也提出了属于自己的u-Korea【Z-9】。【】1999 年我国开始步入传感器网络领域。如今，已独自研发了以微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)传感器为主、复合多信息探测的小型化传感器系列；研制出了 4 个系列的设备，成功实现了各种 WSN 与原型样机和 5 个系列的传感器网络端机网络、公共网络的加密互联、互通；完成了中国第一个具有知识的WSN协议的研制，为我国 WSN 的广泛应用打下了坚实的基础。同时，在传感器网络方面已经建立了、无线传感器网络(浙江)工程中心、无线传

9、感器网络(宁波)工程中心等，已逐步建立了产学研三级价值链【Z-10】。2006 年，中国电力科学紧随国际技术研究和进展，己经把传感器网络列为“新农村供电模式研究及综合示范工程建设”项目的能信息之一。依据需求，科研目前已先后展开了 WSN 技术在“电与管理”、“输配电线路监测”、“地埋电缆监测”等方向的应用研究【Z-11】。“中国 2050 年信息科技发展路线图”第四章讲解的就是构建称心如意的信息网络中对物联网和传感器网络的发展目标与路线图【Z-12】。【定位现状】作为一种全新的技术，无线传感器网络具有许多性的研究课题,而定位就是其中之一。定位是大多数应用的基础。无线传感器网络中的定位机制与算法

10、包括两部分：节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。传感器节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到很大限制，低功耗是其最主要的设计目标。而人工部署和为所有网络节点安装都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根GPS本无法实现，因此必须针对其密集性，节点的计算、特点设计有效的低功耗定位算法。和通信等能力都有限的近 10 年来，无线传感器网络自身定位问题研究的进展十分可喜，取得了丰富的研究成果。特别是进入 21 世纪后，对无线传感器网络自身定位问题有了许多新颖的解决方案和，许多技术方案都能够解决无线传感器的自身定位问题。但每一种系统和算法都是用来解决不同或

11、支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象，传感器设备的组成，能量需求，基础设施和时空的复杂性等许多方面不同。总结来说，现行技术仍然存在着下列一些问题：缺乏更加有效精确的测距方法；大规模无线传感器网络中的误差累积问题；减少所有节点完成定位过程所需 时间；减少节点定位带来的通讯开销；传感器节点有能量限制，需要研究在算法 复杂度与能量消耗之间的合理折衷；目前的研究成果大部分都是基于静态网络的，对移动节点定位研究相对较少。无线传感器网络定位算法的研究从总体上说尚处于一个起步的阶段，已有的研究工作正在为该领域提出越来越多需要解决认为除了对定位算法本身的研究外，可能的热点研究方向包括：（1）定位算法性能评

12、价的模型化和量化；（2）建立标准的仿真技术和仿真系统来模拟定位算法的实现；（3）由成千上万节点组成的大规模或超大规模网络自身定位问题的低成本(时空、功耗、价格)和高精度的实现；（4）在移动网络环境下具有自调整性的定位算法的实现。【汪炀】1.3 本文研究工作本文对基于WSN 应用层非测距定位算法进行了深入研究。首先，针对 WSN介绍了定位算法的分类、性能评价标准以及定位的基本原理；并深入分析了当前经典的非测距定位算法。其次，根据 DV-HOP 算法的误差分析，提出改进的 DV-HOP 算法，并给出改进算法与算法流程。最后，对改进的算法进行仿真实验，给出实验结果，并对实验结果进行详细、深入的分析及对比，证明改进的算法可以提高节点定位精度 3%。本文由五章组成：第一章：绪论。介绍了本文的课题研究背景与意义，相关国内外研究现状。第二章：无线传感器网络概述。介绍了已有定位算法的分类，并详细描述了算法的性能评价标准及定位的基本原理。第三章：非测距定位算法研