Amorphous定位算法仿真与分析毕业论文Word格式.docx
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第3章无线传感器网络的定位算法 16
3.1无线传感网络节点定位概述 16
3.2定位算法的基本术语 16
3.3定位算法的分类 17
3.4定位算法的性能分析 18
3.5节点位置的计算方法 20
3.5.1三边测量法 20
3.5.2三角测量 21
3.5.3极大似然估计法 22
3.5.4最大最小法 23
3.6Amorphous定位算法 23
3.6.1Amorphous定位算法基本原理 24
3.6.2Amorphous定位算法流程图及仿真图 25
3.7本章小结 25
第4章Amorphous定位算法仿真与分析 26
4.1网络环境仿真的设置 26
4.2无线传感器网络仿真特点 26
4.3节点部署 27
4.3.1节点部署的基本原理 27
4.3.2节点部署的评价指标 28
4.4Amorphous定位算法的仿真与结果分析 29
4.4.1不同节点部署的对比分析 29
4.4.2Amorphous定位算法仿真中通信模型的分析 32
4.4.3Amorphous与其RSSI、MDS-MAP算法的对比分析 37
4.5本章小结 41
第5章总结与展望 42
致谢 43
参考文献 44
摘要
传感器节点的位置信息在无线传感器网络的监测活动等应用中起着至关重要的作用。
而取得节点位置信息较简便、快捷、精确的方法是通过手动设定或携带GPS定位设备等手段，但通过这种方式获取的成本很高。
因此，较好的方法是采用定位算法进行估计。
节点定位是无线传感器的基本功能之一。
节点定位大多利用已知的位置的节点，按照某种定位机制确定自身位置。
传感器节点定位过程中，未知节点在获得与邻居锚节点的距离，或获得邻近的锚节点和未知节点之间的相对角度后，通常使用三边测量法，三角测量法、极大似然估计法或最小最大法来计算自身的未知。
本文将主要研究关于无线传感器网络中的Amorphous定位算法进行仿真与分析。
在Matlab仿真平台进行仿真，首先从Amorphous定位算法的仿真的参数设置中针对不同的节点部署、通信传播模型进行对比分析从定位精度，网络连通性等方面做出比较分析，以达到不同环境最适合的参数设置。
最后，针对基于测距的RSSI定位机制和与距离无关的Amorphous定位算法进行比较对比，分析出Amorphous定位算法的优势，同时也提出有待发展和提高的相关点。
关键字：
无线传感器网络,节点定位,Amorphous,仿真与分析
ABSTRACT
Sensornodelocationinformationplaysavitalroleinmonitoringtheactivitiesofwirelesssensornetworksapplications.Nodepositioninformationobtainedoverthesimple,fastandaccuratemethodistomanuallysetorportableGPSpositioningequipmentandothermeans,butthehighcostofobtainingthisway.Accordingly,amethodisusedtoestimatetheocationalgorithm.
Nodelocalizationisoneofthebasicfunctionsofwirelesssensors.Mostoftheknownnodelocalizationnodepositiontodeterminetheirpositionaccordingtosomepositioningmechanism.Sensornodelocalizationprocess,theunknownnodesingettingawaywithneighborsanchornodes,ortoobtaintherelativeanglebetweenadjacentanchornodesandunknownnodes,typicallyusetrilateration,triangulationmethod,maximumlikelihoodestimationmethodmethodtocalculatethemaximumorminimumitselfisunknown.
ThisarticlewillfocusonresearchonwirelesssensornetworksAmorphouslocalizationalgorithmsimulationandanalysis.IntheMatlabsimulationplatformforsimulation,thefirstsetofparametersfromthesimulationofAmorphouspositioningalgorithmwereanalyzedfordifferentnodedeployment,makeacomparativeanalysisofthepropagationmodelofcommunicationfromthepositioningaccuracy,networkconnectivity,etc.,inordertoachievethemostsuitablefordifferentenvironmentsparametersettings.
Finally,thepositioningmechanismbasedonRSSIrangingandAmorphouslocationalgorithmcomparesthedistance-independentcomparativeanalysisoftheadvantagesofAmorphouspositioningalgorithm,butalsoneedstobemadetodevelopandimprovetherelevantpoint.
Keywords：
Wirelesssensornetworks,Nodelocalization,Amorphous,SimulationandAnalysis
45
第1章绪论
1.1课题背景及意义
无线传感器网络（Wireless
Sensor
Network，WSN）综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信等技术，由许多相同或不同类型传感器节点通过无线通信实现自组织，形成分布式自治网络。
它打破了传统的点对点的数据信息交互方式，带来了一种全新的信息获取和处理模式。
无线传感器网络由许多小、价格低的传感器节点构成，它们被撒播在监测围中，利用无线通讯自组织成为具有多跳的系统。
WSN能够感应、获取监测围的数据，之后把这些感兴趣的数据传递给监测人员。
传感技术的任务是获取数据，通讯技术的任务是传递数据，计算机技术的任务是处理数据。
在真实的运用环境中，获取数据会遇到以下难题:
不容易布置线路、获取信息的面积大。
在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，没有位置信息的监测消息往往毫无意义对于这些问题，传感器节点必须首先知道自身的地理位置信息，这是进一步采取措施和做出决策的基础。
定位信息除用做报告事件发生的地点外，还具有下列用途:
目标跟踪实时监视目标的行动路线，预测目标的前进轨迹；
协助路由，为网络提供命名空间，如直接用节点位置信息进行数据传递的地理路由协议，避免信息在整个网络中的扩散，并可以实现定向的信息查询；
进行网络管理，利用传感器节点传回的位置信息构建网络拓扑图，并实时统计网络覆盖隋况，对节点密度低的区域及时采取必要的措施，实现网络负载均衡以及网络拓扑的自配置等等。
因此在传感器网络中，传感器节点的精确、快速定位对各种应用有着重要的作用。
由于监测是一个长期与漫长的过程，一般情况下，监测围的环境都比较恶劣，监测人员不容易抵达这些区域，故不能及时给传感器节点补充能量。
又因传感器节点具有以下特性:
能量受限、通讯能力受限、密集且随机分布，故节省能耗和效率高是实现WSN节点定位技术需要考虑的第一因素。
。
而全球定位系统是目前使用最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是定位适应于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高且体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等。
人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，这使得它不适用于低成本自组织的传感器网络，因此必须采用一定的机制与算法实现WSN的自身定位。
节点定位是无线传感器网络的基本功能之一。
在无线创年期网络的各种应用中，测到网络中某个地方时间发生时，它所关心的一个重要的问题就是该事件发生的位置。
因此，确定事件发生的位置或确定获取消息的节点位置是无线传感器网络所必须具备的一项功能，对无线传感器网络的应用的有效性起着至关重要的作用。
同时了解传感器节点位置信息还可以协助路由，提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置等网络管理。
因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置尤为重要，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。
随着计算机技术、微电子技术和通信技术的进步，传感器已朝着集成化、微型化、智能化和低能耗的方向快速发展，使其能够在较小体积集成信息采集、数据处理和信息的传输等多种功能，这为无线传感网的产生和发展奠定了基础。
无线传感网是由部署在监测区域大量廉价微型的具有有限数据处理能力和装备，有低能耗无线信号收发器的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，其目的是利用网络节点协作地感知和采集网络覆盖区域感兴趣的信息，并发送给观察者。
无线传感网具有布线成本低、监测精度高、系统容错性好、可远程监控以及便于诊断与维护等众多的优点，它的产生解决了传统传感器网络在应用中遇到的安装、维护等方面的种种困难。
其在军事、工业、医疗、交通、环保等领域有着广阔的应用前景。
如果说互联网改变了人与人之间的信息交流方式，那么，无线传感网的产生将改变人与自然界的交互方式。
因此本文所研究的与距离无关的Amorphous定位算法对无线传感器的网络的发展具有很重要的意义。
1.2课题现状及发展趋势
1996年，美国UCLA大学的William
J
Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。
1998年，同是UCLA大学的Gregory
Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。
在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。
美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院（MIT）技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。
WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。
1998年到2003年，各种与无线通信、AdHoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。
2001年，美国计算机学会（ACM）和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork（IPSN），为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。
2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。
ACM在2005年还专门创刊ACM
TransactiononSensorNetwork，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。
2004年，Boston大学与BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。
2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。
中国现代意义的WSN网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。
2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。
从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。
截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项，国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目，国家发改委中国下一代互联网工程项目（CNGI）也对传感器网络项目进行了连续资助。
“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。
2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。
最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。
该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。
WSN技术是多学科交叉的研究领域，因而包含众多研究方向，WSN技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。
WSN技术的应用定义要求网络中节点设备能够在有限能量（功率）供给下实现对目标的长时间监控，因此网络运行的能量效率是一切技术元素的优化目标。
目前比较成熟并得到应用大围推广的无线定位技术是GPS卫星定位系统。
对于WSN,其传感器分布比较集中,网络结点较多,人工部署和所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制,甚至在某些场合可能无法实现,因此必须利用无线通信机制与定位求解算法实现WSN的自身定位。
基于目前移动信标的定位算法是近年来的研究热点。
由于网络定位算法大多依赖于信标节点的密度，网络的联通性。
而信标节点的造价数倍甚至十几倍于普通节点，所以其定位成本较高。
而移动信标节点通过引入一个可在网络中漫游移动的节点来广播自己的位置信息构成虚拟信标，从而可以降低定位成本，提高定位效率。
所以移动信标的定位算法近来成为新的研究热点，国外许多学者进行了许多的研究，基于移动信标的定位算法主要研究问题是如何将移动信标与现在的定位算法结合，研究构造的虚拟信标的动态选择算法及移动信标的移动路径的规划。
为此，国外有许多学者把移动信标与经典的质心定位算法、APIT定位算法、Amorphous定位算法及RSSI定位算法等相结合来改进这些定位算法，而Amorphous定位算法和APIT定位算法因为无需测距有着更多的优势也得到更多的研究。
无需测距（range-free）的定位算法不需要直接测量距离信息，而是根据网络的连通性确定网络中节点之间的跳数，同时根据已知位置参考节点的位置等信息估计每一跳的大致距离，然后估出节点在网络中的位置。
典型的无需测距的定位算法有MDS-MAP定位算法，APIT定位算法、质心定位算法、Amorphous定位算法等，它们所需的网络模型都是由参考节点和未知位置的节点组成。
国外对于移动信标的定位方法及信标的移动路径的规划研究处于起步阶段，相关的文献并不多，提出的算法也不够成熟。
到目前为止国外机构和大学已经开发出很多像很熟的无线传感器网络定位系统，典型的室定位系统有RADAR、activebadge、activeoffice等。
在设定定位系统时，可以参考借鉴一些典型的定位系统的设计原理和设计方法。
开发室定位系统时需要考虑网络的基础设施、定位技术、节点通信方式、锚节点密度、测距误差、通信开销和计算开销等影响定位的因素，权衡地安慰精度和成本、开销之间的关系，设计合理的定位系统。
1.3本文主要容及文章组织结构
本课题主要是在MATLAB平台上对Amorphous定位算法进行仿真分析，首先是针对Amorphous定位算法设置不同的参数（即节点部署和同通信传播模型）进行自身仿真分析，然后再针对Amorphous定位算法与RSSI[20]定位机制和MDS-MAP定位算法的对比分析。
本文共分为五章，组织结构安排如下：
第一章绪论，介绍课题相关的背景和意义，阐述了发展现状及趋势，明确了论文的主要容和工作。
第二章无线传感网络，对无线传感器网络的特点、体系结构以及核心技术、应用领域以及性能评价等方面做出了具体介绍。
第三章无线传感器的定位算法，主要针对Amorphous定位算法的基本原理及实现过程做出了详细介绍，同时对所涉及到的定位算法的分类、性能评价及节点定位算法进行了详细介绍。
第四章Amorphous定位算法的仿真与分析，这是本文的核心所在，首先是从正方形区域随机均匀分布和正方形区域网络状节点分布两种不同的节点部署对Amorphous定位算法连通性和定位误差的影响进行研究分析。
然后再通过Amorphous定位算法与RSSI定位机制和MDS-MAP算法进行对比分析，重点突出Amorphous定位算法的优势及特点。
第五章总结与展望，对本课题的容的一个总结和Amorphous定位算法还有待发展和进一步的研究容提供一个参考的方向。
第2章无线传感器网络
无线传感器网络（WSN：
WirelessSensorNetwork）是新兴的传感器网络，是分布式自组织网络。
无线传感器网络与现有的传统无线网络有相似之处，但也存在很大的差别。
无线传感器网络欧大量的微型传感器节点组成，并通过无线通信的方式形成一个自组织的智能网络系统，能够实时监测、感知和采集所监控的的各种环境或检测对象的信息，并对这些信息进行处理，将获取到的信息发送到任务管理节点或者需要这些信息的用户。
下面将介绍一些关于无线传感器网络的基本概念和特点。
2.1无线传感器网络的特点
无线传感器网络作为一种新型的信息回取系统与普通的网络不同，具有自己的特点：
比如能量受限，通信方式以数据为中心，相邻节点的数据具有相似性，拓扑结构也在不断的变化等。
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络，数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。
其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各个节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。
WSN是许多科学交叉的新兴前沿研究热点技术，它综合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信和网络技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，具有低功耗、多节点分布式协作地特点。
作为一种独特的网络，无线传感器网络具有以下显著的特点[5]。
（1）传感节点体积小,成本低,计算能力有限
无线传感器网络是在MEMS技术、数字电路技术基础上发展起来的,传感节点各部分集成度很高,因此具有体积小的优点,当然从应用角度讲,减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。
传感网络是由大量的传感节点组成的,单个节点的成本直接影响到网络的总体成本,如果总体成本比使用传统传感器的成本高,势必会影响无线传感网络的竞争力。
由于体积、成本以及能量的限制,嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限,因此传感器的计算能力十分有限。
（2）传感节点数量大、易失效,具有自适应性
根据应用的不同,传感器节点的数量可能达到几百万个,甚至更多。
此外,传感器网络工作在比较恶劣的环境中,经常有新节点加入或已有节点失效,网络的拓扑结构变化很快,而且网络一旦形成,人很少干预其运行,因此,传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性,相应的通信协议必须具有可重构和自适应性.
（3）通信半径小,带宽很低
无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数据传输,因此其设计的通信覆盖围只有几十米。
和传统无线网络不同,传感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据,因此流量较小。
根据目前观察到的现象特性来看,传感数据所需的带宽将会很低（1～100kbit/s）
（4）电源能量是网络寿命的关键
无线传感器网络中通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,能源无法替代,只能选择纽扣式电池供电,电源能量极其有限,网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃,因此电源效率是设计考虑的关键因素。
（5）数据管理与处理是传感器网络的核心技术
对于观察者来说,传感器网络的核心是感知数据,而不是网络硬件。
比如在智能家居应用中人们可能希望知道“现在客厅的温度是多少”,而不会关心“2号节点感测到的温度是多少”。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心,把数据库技术和网络技术紧密结合,从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统,使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
2.2无线传感网络的体系结构
无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置，这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景，围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。
例如，传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其可以在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用、在医疗领域，传感器网络可以部署用来监测病人并辅助残障病人、其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。
本文对无线传感器网络体系结构进行了较为深入的研究，从物理体系结构、软件体系结构和协议层[6]三个层面进行了分析。
无线传感器网络包括4类基本实体对象：
目标、观测节点、传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如图2.1所示。
大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。
传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。
用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观
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