无线传感器网络定位系统的设计与实现论文.docVIP

第一章 系统概述 1.1 研究背景 无线传感器网络（WSN）是一种特殊的自组织网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域（如环境受到污染、破坏的区域或敌对区域）和一些临时场合（如发生自然灾害和固定通信网络被破坏时）等。它不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域，引起了人们广泛关注。 WSN将改变我们与客观世界的交互方式。从军事应用、目标追踪、环境检测到空间探索，WSN的未来应用将超出我们的想象力。但是对于大多数的WSN应用，不知道传感器节点位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化WSN在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询拥塞处理、网络覆盖率检查等。人工部署或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（如在室内由于受到建筑物的阻挡，其定位性能并不理想），因此必须采用一定的机制与算法实现WSN的自身定位。 从1992年ATT Laboratories Cambridge开发出室内定位系统Active Badge至今，研究者们一直致力于这一领域的研究。事实上，己有许多系统和算法能够解决WSN自身定位问题。但是，每种系统和算法都用来解决不同的问题或支持不同的应用，它们在用于定位的物理现象、网络组成、能量需求、基础设施和时空的复杂性等许多方面有所不同。 1.2 国内外研究现状 无线传感器网络技术融合了微电子技术、微细加工技术、SOC芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等，以实现其微型化、集成化、多功能化、系统化及网络化，特别是实现无线传感器网络的超低功耗系统设计。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，己经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。2003年2月份的美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。科学家预言未来无线传感器网络将引发新的信息革命。一些专家认为无线传感器网络、仿生人体器官等是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮，这预示着未来到处是以电池为电源的无线传感器网络，这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。 近几年，这方面的研究活动在美国各大学及研究所蓬勃发展，美国政府也斥巨资支持这方面的研究。在2003年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更为巨大。美国的很多大学都已开展无线传感器网络的研究。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及无线传感器网络的研究工作。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。首次正式出现在1999年中国科学院《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，作为该领域提出的五个重大项目之一（当时的项目名称：重点地区灾害的实时监控、预警和决策支持示范系统）。2001年后，微系统研究与发展中心在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中国科技大学等10余个研究所和高校。2004年9月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已经在实际工程系统中使用。对这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 到目前为止无线传感器网络的发展已经经历了三个阶段：点对点，只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只有有限的通信能力；点对多点，传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动必须通过基站；多跳网状结构，完全的RF冗余，具有多数据通道，自我构建，自我调整，智能分布。 1.3 立题的意义 在WSN的大多数应用中，位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分。对于位置信息的了解可以增强网络安全，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和网络拓扑的自配置等。此外，基于位置的路由可以提高路由效率、减少能量消耗。定位技术是很多其他WSN技术的基础。 无线传感器节点通常随机部署在不同的环境中执行各种监测任务，以自组织方式相互协调工作，随机部署的无线传感器节点无法事先知