2022年超宽带的无线传感器网络定位算法分析研究 .pdf

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1、本科生毕业论文 设计）中文题目：基于超宽带的无线传感器网络定位算法研究英文题目：Researchof Wireless Sensor Network Location AlgorithmBased on UWB学生姓名班级 19 学号学院通 信 工 程专业通 信 工 程指导老师王雪职称讲 师精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 32 页2 / 32 摘 要近些年以来，无线传感器网络得到了业界广泛的关注，因而在其发展的道路上势头正猛。无线传感器网络在很多方面得到了非常广泛的应用，例如医疗救援、军事作战指挥、环境变化检测、生态系统

2、监测、目标位置确定以及追踪等。我们知道，无线传感器网络的关键技术就是网络中未知节点的位置确定。因此，我们可以利用脉冲超宽带技术IR-UWB ，Impules Radio Ultra Wideband）来对某一个未知的节点进行高精度的物理层定位；与此同时，我们还可以对该节点的时间矢量进行分辨，进而得到该节点在二维坐标轴中的具体坐标。凭借超宽带技术的诸多优点，超宽带能够被广泛地应用到无线传感器网络的物理层的定位研究中。由于长时间的宣传导致，对于定位技术的作用，人们的认知仅仅限于交通导航等方面，对于该技术在室内领域的运用，诸如室内某一物体的位置的确定，对于两个目标之间距离的测量等等的运用方式都还无所

3、知晓。通过理想环境与复杂环境的网络定位联合协作，来实现信号准确的定位是未来无线定位技术的发展趋势。但是，信号的无缝连接以及准确的定位在现有的技术下是不能够完全独立的实现。在一般情况下超宽带技术不容易受到环境干扰，并且在功率消耗方面比传统技术更具有优势，最重要的是超宽带技术在多径干扰的情况下相比于传统技术提供了更加精准的定位。因此，相比于众多传统的网络定位技术，基于超宽带的无线传感器网络定位成为了未来无线定位技术研究的风向标。从理论上可以知道，超宽带信号具备着厘M 级精度的测距能力，利用这样一种精确的测距技术，能够实现节点之间的相对定位，这也就说明，脉冲超宽带技术能够充分的满足无线传感器网 的网

4、络定位的各种需求。本文简要介绍了超宽带技术与无线传感器网络，分析和总结超宽带技术在无线传感器网络定位算法中的作用，在传统的无线传感器网络定位算法的基础上，提出了TOA 算法与三边测量法的联合定位的想法。关键词 无线传感器网 超宽带 节点定位 测距精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 32 页3 / 32 ABSTRACT In recent years, wireless sensor network is developing very quickly, in medical and military aspects, en

5、vironment detection, target tracking, ecology research aspects and so on each domain has been very widely used. As we know, the key technology of wireless sensor network node localization is. Moreover, due to the pulse UWB technology (IR-UWB, Impules Radio Ultra Wideband has the strong ability of ti

6、me-resolved, nodes can be used for high precision positioning, therefore, ultra-wideband technology can be widely applied to the physical layer of wireless sensor network localization. In addition to the Positioning System in the outdoor environment of node localization of applications, people on in

7、door Positioning, short distance applications such as dont know. Can be predicted that the future trend of wireless location technology is combined by the orientation of indoor and outdoor, in order to realize the seamless, accurate positioning. However, our existing network technology also cant ful

8、ly meet the stringent requirements, and because of uwb technology has high safety, low power consumption, resistance to multipath effect is good, can provide the advantages of accurate positioning, low system complexity and so on, based on many of ultra-wideband technology network positioning techno

9、logy in the wireless location technology, becoming one of the highlights in agro-scientific research in the wireless location technology in the future. Ultra-wideband signal can theoretically that the cm-level precision ranging ability, take advantage of such a precise distance measurement technolog

10、y, can realize relative positioning between nodes, this also means that, pulse uwb technology can fully meet the Wireless Sensor Network (WSN, Wireless Sensor Network Network positioning of the various requirements. Thispaper introduces the ultra-wideband technology and wireless sensor networks , an

11、alyze and summarize the ultra-wideband technology in the wireless sensor network localization algorithm role in the traditional wireless sensor network localization algorithm based on the proposed algorithm and trilateral TOA measurement method the ideaof co-locating . Keywords Wireless sensor netwo

12、rk Ultra-wideband Node positioning Ranging 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 32 页4 / 32 目录第 1 章 绪论- 1 - 1.1 基于超宽带的无线传感器网络概述- 1 - 1.2基于超宽带的无线传感器网络定位技术- 7 - 第 2 章 基于超宽带的无线传感器网络定位技术研究- 10 - 2.1基于超宽带的无线传感器网络的定位概述- 10 - 2.2定位技术分类模型 - 10 - 2.3 本章小结 - 16 - 第 3 章 基于超宽带的测距算法和联合估计方法- 17 - 3

13、.1 基于超宽带的测距算法概述- 17 - 3.2联合估计算法的概述 - 18 - 3.3 本章小结 - 24 - 第 4 章 全文总结与展望 - 25 - 4.1 主要工作与总结 - 25 - 4.2 展望- 25 - 参 考 文 献- 27 - 致 谢- 28 - 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 32 页- 1 - / 32 第 1 章 绪论1.1 基于超宽带的无线传感器网络概述1.1.1 脉冲超宽带技术脉冲超宽带同时也被人们称为超宽带脉冲无线电，脉冲超宽带是一种通过发送亚纳秒量级的窄脉冲以实现极高速率的数据传输的通

14、信技术。UWB-IR 通信系统通过改变突发式脉冲的极性、幅值、位置以携带比特信息束，因此，脉冲超宽带的信号带宽非常的宽。UWB-IR 通信系统所使用脉冲信号的宽度可以达到纳秒级甚至亚纳秒量级，也就是说，脉冲超宽带的信号带宽可以达到GHz 的数量级。脉冲超宽带技术具备着以下的优势：极高的数据传输速率和相当大的用户容量；设备的体积较小以及其传输功耗低；穿透障碍物的能力非常的强；定位精确准度较高以及能够与现有的窄带通信系统实现频谱的共享。然而，要实现UWB-IR 系统的无线通信仍然面临着诸多的挑战。面临的这些挑战中，要在多径的信道环境下，实现低复杂度的同时必须保证信号同步的高精确度以及多径信道的估计

15、，这些出现的问题就显得尤为突出。相比于一些传统的无线通信技术，超宽带技术存在着许多不同点，这些不同点导致在一些常见的环境条件下，超宽带技术体现出了传统无线通信技术不拥有的优势。最重要的一点，超宽带技术使用的信号形式不同于传统无线通信所使用的载波，因而，在很多方面，超宽带技术凭借其特殊的信号方式体现出了巨大的优势。打个比方，传统的无线通信技术所使用的信号方式即载波就像是利用水管进行浇灌，它是通过抖动水管而产生上下波动的水流，而超宽带技术是在短时间内发射非正弦波窄脉冲来进行信号传输的，这一特点就像是利用旋转的喷射器不断喷射出短促的水流。通过这个形象的比方可以看出，两种无线通信技术拥有迥然不同的信号

16、发射方式。利用发射信号短且密集这种特点，在无线局域网和个人域网方面，超宽带技术为其信号接收提供了一种低发射能量消耗、超宽的信号带宽以及技术操作简单的应用方法。在信号传播过程中，超宽带信号在信道衰落方面不易受到干扰而导致信号能量衰落，并且超宽带信号的功率频谱与普通的噪声相似，能隐藏在其他信号或噪声中而不被发现，因此超宽带信号具备非常好的抗干扰能力和隐蔽性。超宽带系统的结构组成比较简单，并且它的定位精度可以达到惊人的厘M 级。这些优点都很好的解决了传统无线技术多年以来难以解决的问题。在应用领域精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共

17、32 页- 2 - / 32 方面，由于超宽带技术发送的信息是由大量短并且传输速度非常快的能量脉冲构成，这些能量脉冲具备着精确计时的特点，每一个脉冲的大小达到了毫微秒级，这样短并且计时精确的能量脉冲可以覆盖很大的区域。在室内环境或者是干扰较强的复杂环境下，利用超宽带技术的特点，可以很好的进行信号的发射与接受，尤其是在军事作战方面，超宽带技术很好的克服了传统无线通信技术精度差、隐蔽性差、系统复杂以及抗多径能力差的难题。超宽带系统在从时域方面就与传统的通信系统有着很大的不同。传统的通信系统是通过发射载波信号进行通信的，而超宽带系统则是利用信号起落点的时域脉冲直接进行信号的传输的。超宽带信号的传输调

18、制过程在非常宽的频带上进行，调制过程中信号持续的时间决定了其所占带宽的频率范围。超宽带系统在局域网进行运用时，其传输功率在一定程度上会受到限制，它在局域网的有效传输距离在十M 左右，因而，在个人应用方面，超宽带技术的应用也比较普遍。传统的窄带宽带与超宽带所定位的带宽是不同的。传统意义上，窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比 小于 1% ，宽带是指相对带宽在1% 到 25% 之间的。而超宽带的带宽大于 25%并且其中心频率大于500HZ。超宽带技术的基本原理是发送和接受严格受控的高斯短周期能量脉冲，因为短时的单周期脉冲的特点，信号的带宽比较宽，这样在信号的接受时，利用一级前端交叉相关器就可以

19、将能量脉冲直接转化成基带形式的信号，这种信号转换方式不需要传统通信技术中必须要使用中频级转换信号，在设备的复杂性上，超宽带系统就显得简单得多。与传统的通信系统相比，超宽带系统的工作原理是完全不同的，因而，超宽带系统具备了传统通信系统无法比拟的技术特点：(1 系统结构简单：传统的无线通信技术利用载波来进行通信，我们知道，载波是连续的电波，它的频率和功率不是一直不变的，传统的无线通信技术就是利用载波状态变化来进行信号的传输。超宽带系统利用的纳秒级的能量脉冲决定了其发射器不需要传统发射器必须具备的上变频，也不需要功率放大器来放大信号，因此，超宽带系统的信号发射器成本很低。而在超宽带系统的接受器中不需

20、要对信号进行中频处理，省去了传统通信系统中必须要有的中频处理器。(2 数据传输的速率高：由于超宽带技术拥有比较宽的带宽，信号在传输过程中，不需要占用其他的频率资源，通过共享其非常宽的频率宽带实现了数据的高速传输。在民用方面，由精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 32 页- 3 - / 32 于信号传输的有效范围本来就很小，超宽带技术可以使信号的传输速度达到500Mbit/s，这样的传输速度可以使超宽带技术在民用的互联和互通上得到很好的利用。而在军事方面，高速率的信号传播能在军事指挥上实现远距离高效率的信息交换。(3 消耗的功

21、率较低：超宽带系统利用间断的短促能量脉冲发射信号，能量脉冲一般在0. 20ns1. 5ns 之间，因而信号的占空因数比较低，系统的耗电量也因此做到很低。在民用方面的超宽带系统的耗电量是移动电话的百分之一左右，是普通蓝牙设备的耗电量的百分之二十左右。在军用方面，利用超宽带技术的军用电台所需要的功率是普通电台的一半。因此，超宽带系统能增加电池寿命以及减少电磁辐射，这一点是传统无线设备无法做到的。(4 较强的安全性能： UWB 的信号能量处在一个很宽的频带范围，它的信号能量散布很广，因而 UWB 信号的功率谱密度与白噪声信号的功率谱密度很接近，能够隐藏于噪声信号中而不被一般的信号接收机轻易捕捉到。如

22、果对UWB 信号脉冲的参数进行随机化伪装后，其脉冲能量的隐蔽性会变得更好。(5 在多径下的时间分辨能力强：传统的通信系统发射的信号大多为连续信号，它的持续时间远远大于多径传播时间，由于多径传播效应，传统的通信系统的信号传输质量和信号传输速率难以保证。而超宽带系统发射的信号是短促的单周期能量脉冲，脉冲的占空比较低，在多径下的时间是可以分离的，通过分离出的多径矢量，很好的节约了发射信号的能量，避免了无线电信号的衰落过大。实验表明，超宽带信号的多径衰落最多只有5dB，是传统无线电信号多径衰落的一半甚至低至六分之一。(6定位精度高：短促的单周期脉冲有很高的穿透能力，能够穿透墙壁等其他障碍物，常规的无线

23、电信号很难做到这一点。正是因为超宽带无线电的高穿透能力，使得在室内环境下超宽带信号的定位精度很高，它的定位精度可以达到厘M 级，像其他传统的无线技术由于容易受到环境的影响，其信号的能量逐渐变小，导致测量的误差偏大。(7 成本较低：在实际应用上，UWB 技术比其他传统技术更容易实现，这是因为UWB 系统构成简单、所需要的设备成本低、技术依靠全数字化。UWB 只需要产生短促的脉冲信号，然后对信号进行简单的调制就可以了，这些都可以以电路的方式集中到较小的集成设备上来实现，例如晶体芯片。因此UWB 系统的设备成本很低廉。鉴于以上介绍的诸多优点，相比于一些传统的无线通信技术，超宽带技术拥有比较好的发展前

24、景。在互联网逐渐渗透到人们生活的时代，物联网等短距离通信应用的兴起，导致无线通精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 32 页- 4 - / 32 信技术的更新换代。超宽带技术而生，解决了许多传统技术在物联网应用方面难以解决的难题，为物联网的推广提供了更高的平台，同时也为该技术的广泛运用提供了一个良好的契机。由于超宽带技术的穿透能力强的特点，在雷达探测、监控系统、成像系统等方面，主要就是超宽带技术作为主导技术而被运用。例如，在反恐、灾情救援、资源探测上，利用UWB 穿墙成像技术能够更快更好的进行目标追踪以及定位。在精确度要求比较

25、高的情况下，例如汽车的防碰撞雷达，超宽带技术因其分辨力强分辨率高的特点，能够在精确测量领域得到很好的运用。现在我们所称的超宽带技术最早出现在二十世纪六十年代。1970 年后，在通过美国的一些研究机构的深入研究后，超宽带技术得到了较为快速的发展。当时UWB 技术主要是运用在雷达探测系统中。到了80 年代末，美国国防部正式将该技术称为“超宽带”，而这一术语的提出，标志着超宽带技术开始正式迈入实用阶段。美国于2002 年正式将室内通信的超宽带信号带宽范围规定为3.1GHZ-10.6GHZ，这标志着超宽带技术取代传统无线技术正式开始使用于民用的无线电通信。紧跟着美国在超宽带技术方面的研究步伐，欧盟、日

26、本和新加坡等国家也开始进入民用超宽带技术领域，这些国家在确定了本国的超宽带信号频谱标准与规划后，开始了超宽带技术多方面发展及研究。在超宽带技术研究方面，中国的起步较晚，但是在2006 年之后，国内的超宽带技术研究日新月异，在超宽带技术应用到军事民用等方面得到了突飞猛进的进展。 2008年 12月 12 日，中国发布了自己的超宽带频谱规划，为之后的超宽带技术研究指明了方向。目前，在中国政府的支持下，众多企业、研究机构和高校开始联合进行对超宽带技术进行标准化正规化的工作。目前， UWB 技术的潜力还没有被完全发掘，除了利用其关键技术之外，它还拥有着人们所未发现的研究方向，相信在不久的将来，UWB

27、技术能够更好更广的运用到人们的日常生活中。1.1.2 无线传感器网络概述进入 20 世纪，人们对计算机技术开始了更加深入的研究，传感器技术开始进入人们的生活之中，无线通信技术开始得到普及，微电子技术在其他技术的支持下也得到了快速的发展，在这一系列的技术发展的背景下，无线传感器网络军事指挥。无线传感器网络节点部署快速，可以直接通过飞机将传感器节点以空投的方式散布至监控区域。无线传感器网络的隐蔽性强，不易被敌方发现，其高容错性也为军事指挥中信息的交换提供了便利。(2 农业或环境监测。无线传感器网络可以通过对温度、湿度、大气变化、土壤成分等信息的监测，实现对农作物生长的实时监控。利用无线传感器网络也

28、可以对河水水位增长情况进行监控，从而避免洪水灾害的爆发。(3 医疗监护。无线网络正在逐步运用到室内环境中，因此无线传感器网络在医疗护理方面能起到很大的作用。这些作用主要体现在远程信息获取，病人的生理状况的实时采集能保证对其健康的监控做到最好。(4 家居智能化。通过无线传感器网络可以将住房中的各种电子设备联系在一起，利用无线传感器节点收集室内信息并传送给各个设备，各个设备相互协作、自动运行，为居住着提供智能化的家居环境。另一方面，将室内的无线传感器与网络连接，可以对家居设备进行远程的操作。(5 交通管理。将传感器节点部署在交通路口，可以对实时的路面交通情况进行监测。也可以将传感器节点部署在车辆上

29、，传感器节点采集车辆信息就可以对车辆的各个部件的情况进行分析，从而避免车辆功能性障碍的出现。1.1.3 基于超宽带的无线传感器网络技术超宽带脉冲无线电技术和无线传感器网络是近期出现的两个新兴的热点研究课题，两者可精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 32 页- 7 - / 32 以形成天然的结合，从而具备着一些传统无线传感器网络无法比拟的优势。两者结合的优势主要体现在以下几点：(1 信号传输速度快。利用超宽带无线传感器网络技术，信号在短暂传输过程中，其传输的速度可以达到数百兆每秒。(2 系统构成简单。由于系统的构成中不需要变

30、频器，这在某种程度上减少了系统的构成成分，因此信号的发射与接受的设备成本显得比较低廉。(3 系统兼容性较好。由于超宽带宽频谱的特点，在信道的容量上，其具备很大的优势。由于系统发射信号的功率频谱很低，这样就很好的兼容了窄带无线通信系统。(4 系统隐蔽性高。由于传统的信号接收机的局限性，UWB 传输的信号的频谱比一般信号低，能够很好的隐藏在其他信号或者噪声之中，不容易被其接受。(5 较低的功率消耗。 UWB 发射信号时，其信号扩频处理能力越来越强，导致了信号发射或者传输所消耗的功率较低。(6 在复杂的多径条件下受到的影响较小。UWB 信号脉冲的占空比率比传统信号低，在多径条件下，它的分辨力就显得比

31、较强，因此，其可以分辨的多径数目比较高。(7 节点定位能力强。分辨信号的能力是与信号的带宽息息相关的，我们知道，UWB 信号的带宽比较窄，因此，系统在网络中的距离定位分辨能力可以达到厘M 级，在定位或者信号捕获方面，具有传统技术不能达到的高点。基于无线超宽带技术的无线传感器网络具备的优势是一些传统无线传感器网络无法企及的，特别是在代价、设备大小、兼容性、网络定位、信号安全性、空间含量等方面具有着明显的优势，因而具备着广阔的应用前景。基于无线超宽带技术的无线传感器网络将会成为下一代无线传感器网络的发展方向。我们相信超宽带无线电传感器网络的研究和开发应用，终将会成为必然的发展方向。1.2基于超宽带

32、的无线传感器网络定位技术1.2.1研究的背景及意义在科技高速发展的21世纪，人们的生活越来越离不开计算机、无线通信和智能化操作。高速的无线通信，短距离的无线操控是实现设备智能化的关键点。超宽带技术为实现局域网信息高速交流提供了可能，无线超宽带技术则为实时的信息获取与实时操控提供便利。就目前的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 32 页- 8 - / 32 技术而言，基于超宽带无线传感器网络的信息获取、信息处理和信息传输的实现是可以实现的。无线通信技术、数字信号处理以及微电子技术的高速发展为基于超宽带的无线传感器网络技术的应

33、用提供了有力的技术支持。我们知道，无线传感器网络可以检测网络部署区域内的各种信息，但是离开了传感器节点的位置信息，无线传感器网络就没有了利用价值。这表明，节点的定位是无线传感器网络应用的基础条件之一。例如，在火灾救援中，只有将节点的位置信息与获取的环境信息联系在一起，才能更好的进行救援工作。这就需要我们在无线传感器网络技术应用的同时加入另一项无线通信技术。超宽带技术在众多无线通信技术中脱颖而出，基于超宽带的无线传感器网络技术也就成为了现在无线通信技术的研究热点之一。由于市场需求的不断增加，超宽带技术与无线传感器网络技术的日益成熟，在不久的将来，精确的超宽带无线传感器网络定位必将成为主流的网络定

34、位技术。1.2.2国内外研究现状国外的网络定位技术起步较早，早在20世纪 90年代，无线传感器网络定位就开始使用于军事领域。 90年代末，在美国军方和一些跨国企业的支持下，美国对无线传感器网络的研究以及军事开发就已经初现成就。其中，比较有代表性的工程有93年到 99年加州大学洛杉矶分校负责开发的 WINS 工程，这项工程由美国国防部高级研究计划署资助，为无线传感器网络应用于民用领域铺平了道路。在学术界，无线传感器网络定位研究也有突飞猛进的进展。2000年，质心算法的提出，为无线传感器网络定位提供了有力的支持，美国南加州大学的NiruPama、Bulusu教授等人功不可没。同年，麻省理工学院的P

35、riyantha.N教授研究开创出了基于室内定位的 Criket 系统。除此之外，加州大学伯力克分校于2000年提出了“凸集”的概念；2003年，APIT 算法被验证可行，进一步扩充了网络定位算法；2004年，分布式定位算法与无锚节点的分布式定位算法弥补了无线传感器网络定位算法在分布式概念上的空白。在随后的几年里，国外的研究热潮依旧不减，更多更便利的网络定位算法逐渐出现。虽然在无线传感器的研究方面，国内的起步比较晚，但是在中国科学院、国家“863”计划基金的支持下，国内的一些研究机构、企业和高校也开始掀起了无线传感器网络领域的研究热潮，包括中国科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所

36、、沈阳自动化所以及合肥智能所等研究单位都参与到无线传感器的研究中。1998年，中国科技院电子所在基础无线传感器技术的研究方面起到了非常重要的作用，其位于上海的微系统研究所在无线传感器技精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 32 页- 9 - / 32 术研究方面为国内对该技术的研究起到了奠定基础的作用。同年，沈阳自动化研究所从无线传感器的控制技术方面开创了该技术的新的研究方向。2006年，完全基于网络的连通性的非测距技术的分布式定位算法由中南大学的赖旭芝等人提出，这种算法弥补了国内的无线传感器网络定位算法的空白，在国际上也引

37、起了广泛的关注。在2008年，一种分布式节点自身定位算法即著名的 NCL 算法由武汉理工大学的刘新华等人提出，这种算法属于非测距算法，它是利用节点通信范围内邻居节点的数量来进行网络节点定位。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 32 页- 10 - / 32 第 2 章 基于超宽带的无线传感器网络定位技术研究2.1 基于超宽带的无线传感器网络的定位概述对网络中的节点进行定位的最简单方法就是为每个节点装载GPS 接受器，通过GPS 的定位来确定节点的位置。但是，这种方法在现实环境中是不可能实现的，这是因为成本过高、节点能量消耗

38、过大以及GPS 接收器部署环境的限制要求过于苛刻等原因。因此，一般情况下，我们是通过无线传感器网络定位算法来实现节点的定位或追踪。无线传感器网络的节点定位涉及很多方面的内容，包括节点定位精度、已知节点的部署、网络的容错性、功率的消耗等方面，如何在这些限制因素的影响下，实现节点的定位是目前所面临的关键问题。可以说，无线传感器网络节点的自身定位很大程度上决定了无线传感器网络的应用前景。因此，研究节点定位问题是关键并重要的2.2定位技术分类模型无线传感器网络的定位算法有很多，可以根据数据采集和数据处理方式的不同来进行分类。在数据采集方式上，不同的算法需要采集的信息有所侧重，如距离、角度、时间或者周围

39、节点的信息，其目的都是采集与定位相关的数据，并使其成为定位计算的基础。在信息处理方式上，无论是自身处理还是上传至其他处理器处理，计算原理都是将采集的数据转换为坐标，完成对节点的定位。一般情况下，我们是根据距离测量与否来划分节点定位算法的。需要距离测量的方法统称为测距算法，这类算法是对距离进行直接测量。而不需要对距离进行测量的方法，我们称之为非测距算法，这类算法是依靠网络连通度来实现节点定位的。测距法的精度一般比非测距算法的精度高，但是，由于测距法对节点本身的硬件要求高，因此在一些特定的环境下，如在一个规模较大并且已知节点稀疏的网络中，未知节点无法与足够多的已知节点进行直接的信号交流，普通的测距

40、法很难对其进行定位，此时就需要使用非测距算法来进行节点定位估算。由此可见，两种算法由于其自身的特点都有其自身的局限性。2.2.1基于测距的定位算法1.到达角度 (AOA 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 32 页- 11 - / 32 图 2 AOA 算法网络定位解读图虽然 AOA 估算法的实现原理比较简单，但是在实际环境中的应用也存在许多缺点。从算法机制上看， AOA 算法属于比较容易实现的一种算法，但是由于AOA 定位算法对发射信号的天线有很苛刻的要求，基站中的天线阵必须同时具备高灵敏度和高分辨力，这样就会加大AOA

41、 算法的设备成本。此外，AOA 定位算法的准确度极不稳定，虽然在一般环境下，AOA 算法的精度高于其他算法，但是在障碍物较多的情况下，该算法的精度非常低。因此在山川较多的地区、建筑物密集的城区及室内环境下，使用AOA 算法得到的测距误差非常大。虽然在目前的技术条件下，可以利用智能天线在一定程度上减少多径影响带来的误差，但是天线阵的节点耗能大、设备体积大以及节点成本过高，不满足无线传感器低成本、低耗能的特点，以致AOA 算法在实际中的应用并不广泛。2.到达时间差 (TDOA 为了确定一个正在位移的移动设备的位置，我们可以测量这个正在位移的移动设备到达两个基站接收设备的传送时间延迟定位法，我们称这

42、种定位算法为到达时差算法(TDOA ， Time Difference of Arrival 。这种时差定位方法的优点在于不必使位移的设备和基站的时间一致：因为不需要将时间标记加入到上行信号中，这就可以去除目标位移终端和基站之间因为信道因素造成的不准确。如下图所示的定准位方程式中，在两个已知节点为对准点的两条曲线程式上定准位目标位移节点。确立两个双曲线方程式(至少两个以上已确定的节点来确立目标位移节点的二元坐标，在二维几何图上，一个双曲线就是一个方程式，假如可以做到详细的测量参数，相当于几乎没有差错的情况下，这样，得到的双曲线对准点就是要求得的未知节点坐标。可是，因为时间因素，非视距干扰和多径

43、效应，时间延迟等使得这个时差算法参数存在一定的数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 32 页- 12 - / 32 据差错，很有机会导致无解方程的出现。这种定位算法同时也受限制于超声波传播距离有限和NLOS 对于超声波信号的影响。TDOA 算法参数估计的计算公式为： i=2,N ，已知节点的坐标表示为(x，y， N 为定位节点的数量，由这些条件来建立方程组进而进行计算。图 3 TDOA 的双曲线图解3.到达时间算法 (TOA 确定利用这个TOA 算法时，第一个要做到的就是将通信系统进行时间方面的同步。时间到达算法预估的基础

44、模型：从一个发射设备发出的信号为s(t，在此过程上信号源的多径数目为 L，这个过程中经历的时间为t，接收的信号为 y(t 表示的是附加的噪声，经过第j 个信道后这个信号将会被减弱为，那么这个过程的第 j 个时延为 ，在这之中 表示直接到达的信号传播时间延迟。这个信道的到达时间相当于传播时间延迟 与将信号发出的时间t 的总和，在一个信道，这个信道特点是正在衰落，是因时间变化而变化的，并且服从(0,2内的均匀分布。到达时间预估算法的目标是先收到信号为了来预估多径信号的时间相对差，进而利用时间来计算距离。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1

45、6 页，共 32 页- 13 - / 32 图 4 TOA 模型通过估算信号传播的速度与到达时间的乘积的值就可以得到已知节点与未知节点的估算距离。当使用这种方法得到多个已知节点到未知节点的距离值，再利用三边测量法等能准确定位的计算方法后，就得到未知节点在二维坐标轴中的具体坐标。图 5 TOA 定位原理图解4.信号强度算法 RSSI）一个无线设备发出的信号传输期间，因为碰到多径干扰、阻挠传播物、噪声干扰等不同种环境方面的干扰，那么这个信号的强度会因为传播路程的增大而慢慢地减弱。假如一个发送节点发送信号的大小是已经知道的，接受节点因为接受到信号的大小，凭借传播信号的数学化模型，这样就将传送期间的损

46、耗化转为路程信息，从而根据路程数据得出不确定节点的位置坐标。信号强度算法 RSSI）具体的实现公式为： 是离发射信号距离为d 处所接收的信号强度， PL (d0表示距离在 d0时接收到的信号的能量强度，一般情况下，我们定d0的数值为1m，PL 的单位为 dB； 为遮蔽的因素，它是一个与传播经过的距离没有关系的随机数值。图 4 信号强度衰减模型通过以上的算法的介绍，我们可以得出几种算法的优缺点。相比较而言，TOA 算法运算比较简单，但是它需要另外的一个硬件设备协助做到时间上同步进行，并且做到同步时间的要求十分难；到达时间算法的同步时间不必很完整，但是该算法容易受到超声波传播的影响；而信号强度算法

47、的成本非常低，不必配置额外的硬件设备并且信号强度算法的运算简单，但是因其在大范围的定位中精准度太低导致其在实际环境中的运用不是很广泛。2.2.2非测距定位算法无需测距的定位算法相跟以测算距离为基础的测定位置算法，由于节点处的硬件设备的要求被降低了，那么这种测定位置的位差会随之增加。这种很简陋的测定位置算法大致满足无线传感器网络的某些特定的应用场景。目前为止，提到的不必需要测定距离的测定距离的算法囊括起来有两种：一种是提前对未确定节点和已确定节点之间的路程来预估，接着使用坐标计算方法确定未确定节点的坐标；另一种是在节点之间互相确立联系来确定而减小包括未确定节点的地方，在得到最小区域时，将这个地方

48、的质心作为所要得到的不确定节点的坐标。不需要进行测算距离而确定位置的算法主要由质心算法、DV-Hop 算法、 Amorphous 算法、 APIT 算法等构成。1.质心算法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 32 页- 15 - / 32 质心算法最早是由卜璐苏和黒德曼提出的，质心算法的计算经过为：在网络中的确定节点按一定频率地向旁边节点广泛传播含有自己的标识号ID 和位置信息 (xi，yi的信息包，不确定的节点收到来自不一样的确定节点的消息包，在收到的信息报数目超过某个固定值k 时，来算定已确定节点所构成的多边形的质心，

49、并将该质心坐标作为未知节点的坐标。 (4 图 5 质心定位算法原理图2.DV-Hop 算法DV-Hop以及传播的次数hi 图 6 DV-Hop 算法流程2.3 本章小结本章首先通过无线传感器网络定位的基础知识的介绍，阐述了无线传感器网络定位的概念，然后就无线传感器网络定位技术现有的分类进行了介绍。通过本章，我们了解了基于测距的算法和非测距的定位方法，同时就基于AOA 、基于 TDOA 、基于 TOA 以及基于 RSSI 的测距定位方法，无需测距定位方法中的质心算法和DV-Hop 算法进行了简单的介绍以及对这些算法的初步分析。开始结束网络初始化最小跳数计算平均每跳距离计算位置估计精选学习资料 -

50、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 32 页- 17 - / 32 第 3 章 基于超宽带的测距算法和联合估计方法3.1 基于超宽带的测距算法概述基于测距的网络定位算法一般可以概括成两个步骤：首先利用某种测量法测量距离或者角度，接着利用测得的距离或者角度计算未知节点的坐标。现有的比较主流测距方法有基于时间的算法、基于信号到达角度的算法、基于接受信号强度的算法。在传统的无线传感器网络中，这些算法或多或少的因为算法本身存在的缺点导致其在网络定位中有一定的局限性。基于时间的算法大致可以分成两种：基于信号传输时间的方法和基于信号传输时间差的方法。