探析无线传感器网络定位算法

摘要:无线传感器网络广泛应用于环境、交通、军事、航空、医疗卫生等多方面,具有节点数量多、网络规模大的特点。如何针对这种情况设计定位机制,使其满足低费用、低能耗、低依赖度、强健壮性及高适应性等方面的要求,是现代大规模无线传感器网络的研发目标。

关键词:无线 传感器 网络定位

随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展,已经由Pc时代和网络时代,进入了后PC时代。更小、更方便的低功耗计算设备冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式。微机电系统(micro―electro―mechanismsystem,MEMS)的迅速发展奠定了设计和实现片上系统(system onchip,SOC)的基础。传感器网络就是上述技术高度集成而形成的新信息获取及处理技术的一种。目前无线传感器网络已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支,已经引起了学术界和工业界的高度重视,被认为是将对2l世纪产生巨大影响力的技术之一。WSN由具有传感、有限数据处理能力和短距离无线通信功能的传感器节点和具有强数据处理和长距离无线通信功能网关节点组成,在军事国防、环境监测、生物医疗、抢险救灾以及商业应用等领域具有广阔的应用前景。无线传感器网络可以分为主动式和反应式两种类型。反应式传感器网络更适合应用在对时间敏感的场合,因为主动式无线传感器网络持续监测周围的物质现象,并以恒定速率发送监测数据,而反应式无线传感器网络只是在被观测变量发生突变时才传送数据。

一、无线传感器网络节点的组成

近年来,无线通信、微电子和嵌入式计算等技术的进步,推动了低成本、低功耗和多功能传感器节点的发展,使其能够在微小体积内集成了信息采集、数据处理和短距离无线通信等多种功能。无线传感器网络节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、能量转换器)等组成,其中还可附加定位模块和移动装置等。在无线传感器网络中,节点定位算法是一个至关重要的问题,它是各种应用的基础。需要一种精度高、分布式、复杂度低和容错能力强的定位算法来得到所有未知节点的位置,这一方面能够提高无线传感器网络的性能,另一方面也能降低成本,有利于它的大规模应用。

二、 DV―hop定位算法

定位算法根据是否测量距离,可分为距离有关的和距离无关的两种j。距离有关的通过测量距离角度等信息来进行定位,对硬件要求较高且成本较高。受无线传感器网络硬件设施限制,相对于花费较高的基于距离的方法,距离无关机制被认为是性价比较高的选择。DV―hop算法由NICULESCUD等在Navigate项目中提出,适用于ad―hoc网络,并且在密集网络中得到了大约射程范围的1/3的精确度。在一个异构网络中,包含传感器节点和锚节点。锚节点不仅可进行单级广播,而且可把其位置信息广播给整个网络的所有节点。节点根据接收到的锚节点位置、锚节点的跳数和每一跳的平均距离计算出自己的位置。该算法的实现大致分为如下3个阶段。

(1)距离矢量交换阶段。在该阶段中,DV―hop算法采用类似于经典的距离矢量路由算法的机制,使得网络中的所有节点都知晓其与各参考节点的跳数。为此,每个节点都维护着一个表{Xi,Yi,Hi},其中Xi、Yi为参考节点i的坐标,Hi为该节点到参考节点的跳数。初始时,参考节点向邻接节点广播一个信标(数据包),其中包含它的坐标以及跳数,其初始值为1。邻居节点接收到信标后,将跳数加1后继续向它的邻居广播(除了来源方向),如此通过洪泛的方式向整个网络传播。如果某节点接收到来自相同参考节点的多个信标,则表明它到该参考节点有多条路径。此时,节点将保留含有最小跳数值的信标,而忽略其他信标,这就保证了所得到的跳数值是它到参考节点的最短路径。经过这个过程,只要整个网络是连通图,网络中的所有节点(包括参考节点)都能得到各参考节点的坐标,以及它到各参考节点的最短距离,也就是跳数。以单个参考节点为例,表示了跳数在网络中的传播过程,其中圆形表示节点的通信半径。

(2)校正值计算与广播阶段。该阶段中,每个参考节点在获得其他参考节点位置和相隔跳数后,计算网络平均每跳距离,然后将其作为一个校正值广播至网络中。参考节点i的平均每跳距离,也就是校正值。

三、TEEN路由协议概述

TEEN协议有实时性,可对突发事件做出快速反应,是为反应式无线传感器网络而设计的路由策略。TEEN采用与LEACH相同的多簇结构和运行方式。在簇的建立过程中,随着簇首节点的选定,簇首除了通过TDMA方法实现数据的调度,还向簇内成员广播有关数据的硬阈值(HT)和软阈值(ST)两个参数。硬阈值是被检测数据所不能逾越的阈值,软阈值则规定被检测数据的变动范围。在簇的稳定阶段,节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次检测到数据到达阈值,便打开收发器进行数据传送,同时将该检测值存入节点内部变量SV中。节点再次进行数据传送时要满足两个条件:

(1)当前的检测值大于硬阈值;

(2)当前的检测值与SV的差异等于或大于软阈值。只要节点发送数据,变量SV便置为当前的检测值。在簇重构的过程中,如果新一回合的簇首已经确定,该簇首将重新设定和以上两个参数。

TEEN协议的优点是:

(1)协议适合于需要实时感知的应用环境中;

(2)通过设置硬阈值和软阈值两个参数,TE EN能够大大地减少数据传送的次数,比LEACH算法更节能;

(3)由于软阈值可以改变,监控者通过设置不同的软阈值可以方便地平衡监测准确性与系统节能性两项指标;

(4)随着簇首的变化,用户可以根据需要重新设定两个参数的值,从而控制数据传输的次数。ETEN的主要缺点是不适合应用在需要周期性数据采集的应用系统中。这是因为如果网络中的节点没有接收到相关阈值,那么节点就不会与汇聚节点进行通信,用户也就完全得不到网络的任何数据。

参考文献:

[1]王福豹、史龙、任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法口.软件学报,2005,16(5):857868

[2]孙利民、李建中.无线传感器网络[M].第1版,北京:清华大学出版社,2005