TDOA定位算法研究.pdf

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1、实用标准文档 文案大全 TDOA定位算法研究 院 （系） ：专业： 学号：指导教师： 年月日 实用标准文档 文案大全 毕业设计（论文） 题目基于 TDOA 的 定位算法研究 专业 学号 学生 指 导 教 师 答 辩 日 期 实用标准文档 文案大全 摘要 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。因此，其最重要的核心部位是节点传感器，应用的 范围是面对广大使用用户和各种科技创新范围，其功能的关键所在

2、是为用户提供 可靠的、准确的、实时的研究数据。那么，定位技术作为将这个“ 核心” 和“ 关键 ” 连接的纽带，它的重要性不言而喻。 本文首先通过调查无线传感器网络的发展历程，然后再研究其能够实现的各 种功能，结合国内外在其各个领域像组网方式等的研究现状，通过分析，在分析 的过程当中选择研究方向，最后通过选择，在定位算法上得到了突破口，然后研 究的后续内容得以展开。其次介绍了无线传感器的基础概念，分析其各个基本单 元在其组成的网络当中的主要实现的功能，然后在其测距算法的类别中，介绍了 三种经典算法理论，并同时与非测距算法对比，得出非测距算法的优越性，分析 和研究目前已有的三种应用算法，最后整理出

3、算法的改进方法。 通过对于 TDOA 定位查恩算法、 TDOA 定位最小二乘法算法以及TDOA 定位 最小二乘法加权算法来进行研究，按照提高精度的思路，最终在三种算法基础上 尝试一种优化算法即进行质心处理的算法。然后用仿真软件matlab 软件进行组网 和仿真，并且最终通过matlab 进行仿真并且得到成功的验证。然后大量的实验数 据证明，通过质心加权处理的TDOA 定位算法可以在实际中得到应用。 关键词 ：无线传感器网络； chan算法； TDOA ；质心加权；锚节点 实用标准文档 文案大全 Abstract Wireless sensor networks can be seen by t

4、he data acquisition network, data distribution network and control management center composed of three parts. The main components of the integrated sensor, the data processing unit and a communication module nodes, each node through a distributed network protocol from the composition, then the colle

5、cted data via radio waves through the optimized transmission to the information processing center. Therefore, the most important part of it is the core of the sensor nodes, in the face of broad range of applications and a variety of scientific and technological innovation with user scope, its key fu

6、nctions is to provide users with reliable, accurate, real-time research data. Then, positioning technology as this “core“ and “key“ connection link, its importance is self-evident. Firstly, by investigating the development process of the wireless sensor network, and then study its various functions

7、can be achieved, at home and abroad in their various fields such as networking research status, through the analysis, the analysis of the process of selection research direction, Finally, choose the positioning algorithms to get a breakthrough, and then a follow-up study to expand the content. Secon

8、dly introduces the basic concepts of wireless sensors to analyze the composition of each basic unit in the network among its main function, and location algorithm in its category, we introduce three classical algorithm theory, and also with non-Ranging algorithm comparison algorithm derived non-rang

9、ing superiority, analysis and research three applications currently available algorithms, and finally sorted out the algorithm method. By Chan for the TDOA algorithm, TDOA positioning method of least squares algorithm and weighted least squares method TDOA location algorithm to conduct a study to im

10、prove the accuracy in accordance with the idea, culminating in three algorithms based on an optimization algorithm that attempts to carry out centroid processing algorithm . Then use simulation software matlab software networking and simulation, and ultimately through matlab simulation and verificat

11、ion successfully. Then a large number of experimental data proved that through the centroid weighting process TDOA algorithm can be applied in practice. Keywords: wireless sensor networks, chan algorithm, TDOA, weighted centroid, time delay 实用标准文档 文案大全 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题的来源 .

12、1 1.2 课题的研究目的 . 2 1.3 国内外研究现状 . 3 1.4 本文的主要研究内容 . 5 第 2 章 无线传感器网络定位技术研究 6 2.1 无线传感器网络的具体结构以及优势 . 6 2.2 算法定义和相关参数 . 10 2.3 无线传感器网络的基础定位算法 11 2.3.1 TMM 算法 . 11 2.3.2 MLE 算法 . 12 2.3.3 非测距的 WCL 算法 . 13 2.3.4 非测距的迪维 -跳数算法 14 2.4 系统的设计标准与评价参数 . 16 2.5 本章小结 . 17 第 3 章 TDOA 定位算法 19 3.1 TDOA 算法概述 19 3.2 TDO

13、A 算法的时延估计 19 3.3 无线传感器网络的基础定位算法 . 23 3.3.1 无线传感器网络的实验模型设置 . 23 3.3.2 无线传感器网络的数学模型设置 . 23 3.3.3 TDOA 技术工程应用 -查恩算法 . 25 3.3.4 TDOA 技术数学应用算法 -最小二乘法 . 25 3.3.5 TDOA 技术最小二乘法的加权处理 26 3.3.6 质心加权算法 . 27 3.4 本章小结 . 27 第 4 章 TDOA 算法的实验仿真与数据分析 29 实用标准文档 文案大全 4.1 定位时延实验仿真设计与数据分析 . 29 4.1.1 时延仿真系统的设计 . 29 4.1.2

14、时延仿真数据分析 . 30 4.2 基于 TDOA 技术的定位算法仿真设计与数据分析 31 4.2.1 时延仿真数据分析 . 31 4.2.2 查恩算法实验仿真与数据分析 . 31 4.2.3 最小二乘算法实验仿真与数据分析 . 33 4.2.4 最小二乘算法加权处理后的实验仿真与数据分析 . 35 4.3 基于质心加权处理算法的实验仿真与数据分析 . 36 4.3.1 查恩算法实验仿真与数据分析 . 36 4.3.2 最小二乘算法实验仿真与数据分析 . 37 4.3.3 最小二乘加权算法实验仿真与数据分析 . 38 4.4 本章小结 . 40 结论 41 参考文献 42 附录 1 . 45

15、附录 2 . 49 实用标准文档 文案大全 第 1 章 绪论 1.1 课题的来源 近年来，无线通信、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不 断进步，推动了低成本、 低功耗无线传感器网络(Wireless Sensor Network ， WSN) 的发展，促使无线传感器网络成为当今活跃的研究领域。无线传感器网络是新 型的传感器网络，同时也是一个多学科交叉的领域，与当今主流无线网络技术 一样，均使用802.15.4 的标准。无线传感器网络由具有感知能力、计算能力和 通信能力的大量微型传感器节点组成，强大的数据获取和处理能力使得其应用 范围十分广泛，可以被应用于国防军事、环境监测、交通管理

16、、医疗卫生、目 标跟踪等领域。在过去的几年中，无线传感器网络已获得越来越多的关注。美 国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，将无线传感器网络列为第 一项未来新兴技术。此外， 商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器 网络也列入其中。由此可见，传感器网络是信息感知和采集的一场革命，它的 出现将会给人类社会带来巨大的变革 无线网络传感器的研究起始于20 世纪 90 年代末期。其巨大的商业军事应 用价值，吸引了世界上许多国家的关注。Intel 、微软等 IT 业巨头开始了无线网 络传感器方面的研究工作。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无 线网络传感器表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领

17、域的研究工作。我国在传 感器网络方面的研究工作还很少，目前，国内一些高等院校与研究机构已积极 开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华大学、中科院软件所、浙江 大学、哈尔滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学等。 在无线传感器网络系统里，其最重要的核心部位是节点传感器，应用的范 围是面对广大使用用户和各种科技创新范围，其功能的关键所在是为用户提供 可靠的、准确的、实时的研究数据。定位技术作为将这个“ 核心” 和“ 关键 ” 连接 的纽带，在其重要性上不言而喻，纵使传感器成本低廉、功能强大，传输网络 实用标准文档 文案大全 速度飞跃提升，用户界面简洁易操控，而没有合理的定位技术，数据与用户

18、就 无法连接，即使连接，得到的数据也没有任何意义。 因此，无线传感器网络的定位技术是处理单元的关键，很多科技工作者在 此项研究上付出了诸多的努力，也初步得到了一些成效，同时也诞生了一些具 有较高精度的定位算法，但是，目前已有的算法当中，多数应用在产品中的算 法只是局限于单纯产品的特性，换言之，如果将产品纳入其所属的大类，在大 类产品的定位算法上，没有统一的、公认的算法出现。 因此，笔者最终决定在此方向上做研究，以期能够得出能够在实践中能够 应用的高精度算法。 1.2 课题的研究目的 在这个信息时代，各种用户对信息的获取是非常重要的，知道现在的网络 时代用户可以通过互联网了解最新的世界新闻，通过

19、聊天软件和交友网站获取 周围朋友的状态信息，通过专门的网站可以观察地球表面的图像，目前中国的 各大科技公司还正在开发天眼系统，就是在网络上可以实时观看有天眼系统存 在的景观事物。以上这些都是网络带来的便利，但这些方式的数据交换多是通 过文字输入、图片成像、视频录制带来的，也就是说有专门的工作机构在进行 信息的采集，人工的向网络上传输这样的数据，为使用用户进行服务。 目前的网络，在信息的采集和到达使用用户的过程中，加入了人工传递的 一个阶段，这在数据的及时性方面存在着一个很大的延迟，用户不能实时的接 收需要的数据，这对一些用户来说，可能会造成巨大的影响，甚至是有不可挽 回的损失。举个例子，200

20、8 年 5 月 12 日，我国的四川汶川发生里氏9.0 级的 地震，地震中心位置的所有电力系统、通信系统瘫痪， 由于所有公路都被损毁， 外界人员无法与灾区进行联系，不能及时准确的得到其中的信息数据，这给抗 震救灾工作带来了非常大的麻烦，信息数据的获取耽误一个小时，灾区可能会 有许多人在这个时间结束生命，这对于国家来说是不可估量的灾难性损失 5 。 实用标准文档 文案大全 通过以上的例子，可以看出，在信息的获取上实时的反馈是非常关键的部 分。 也就是说用户如果能够通过一个可靠的网络，按照其需求实时的取得数据， 对于解决问题是非常重要的，无线传感器网络的功能非常符合此项需求。经过 合理的设计和科学

21、的组网能够把数据采集做到及时准确，首先传感器在组网方 式上可以是有人为布置传感器，也可以是在人类不能进去的危险领域或暂时不 能设计的地区进行机器布置，这就在组网上克服了很多不能实现的困难。其次 传感器之间可以相互传递实时数据，不需要人为操控，就可以自动组建局域网 络。最后数据的获取方式可以是通过卫星无线接收，也可以是在附近设立基站 进行专门的接收。所以这种网络特点可以适应很多恶劣环境，数据传输也没有 经过人为延迟，实时性非常好，这在国民生产和关注民生的国家大事上有着极 其重要的应用意义。 经过上述的分析， WSN 在很多领域是一个具有绝对优势的网络系统，所以 国家非常重视其发展和研发，在第一节

22、的分析中提到，定位算法在是其中起到 了纽带作用，它的好坏对系统的性能指标影响是非常大的。在很多的产品应用 中，算法的精确程度可以导致定位的成功和失败，有些基于测距的算法在理论 上分析是非常准确的，但在产品应用中，会受到很多因素的影响，导致算法失 效。因此出现了非测距的定位算法，尽管精度上可以保证，但由于计算复杂， 开销增大，导致成本的上升，在一个有10000 个节点和 100 个锚节点的无线传 感器网络中，如果计算量增加一倍，其消耗成本甚至是10 倍以上。 本文研究思想是，通过分析研究算法的理论，与实际应用比较，找到合适 的算法进行深入分析。本着应用目的，按照提高准确度和适当降低成本的设计 思

23、想，将选择的算法进行合理化的改进，最后将算法进行实验仿真，得出结论。 1.3 国内外研究现状 对于国内外的研究现状本文结合了很多参考文献，对于现状的分析首先应 该从传感器的设计种类和功能上进行研究，其次是无线传感器网络的发展，最 实用标准文档 文案大全 后讨论定位技术的研究现状。 传感器的发展是一个阶跃式的过程，从传统的过程控制的四大传感器类型， 到现在传感器新技术的出现，经历一个阶跃的发展，在20 世纪 80 年代，随着 信息时代的到来，对于传感器的要求标准逐渐提高，这就造成了很大的刚性需 求。科学技术大幅度的进步推动了新型材料的不断发展，也改变了传统的工艺 手法，所以出现了利用纳米技术、生

24、物技术、光纤技术等研发的传感器。目前 全球传感器技术领先的国家是德国和美国，技术已经达到可以用一个传感器实 现多个功能，不断的小型化，复杂化，并且成本非常低廉 7 。由于我国是世界 上的电子产品加工工厂，传感器的研发也几乎跟上了世界的步伐，光纤陀螺传 感器、化学催化传感器、高精度识别轮廓传感器都已研发成功。 先进的传感器技术给开发无线传感器网路提供了有利的基础保障。国外的 研究状况比我国技术的研制要先进许多，美国从提出无线传感器网络的模型概 念开始， 传感器网络的开发速度一直保持增长，从 2000 年开始， 根据现有的资 料显示，几乎每年美国的无线传感器网络技术都有一项新技术产生，总的趋势 是

25、向智能化、微型化进行发展，德国的智能传感网络已经将节点的体积控制在 了指甲状大小，可以看出传感器网络目前研究的尖端领域是向集成多功能方向 发展。 随着无线传感器网络在欧美强国日新月异的发展，其定位技术的开发更是 突飞猛进。在最初阶段，定位技术的算法是基于测距来控制的，已知锚节点的 位置坐标，并且将锚节点上传递信号，确定其到未知节点或者是网中锚节点的 距离，通过距离的测量和数学工具矩阵方程、解析几何、似然估计的应用来估 算未知节点的位置，这在刚刚的起步阶段是非常流行的算法。由于无线传感器 网络规模的加大，节点数量陡增，多径效应等干扰也随之扩大，这导致测距功 能无法实现，所以测距算法逐渐淘汰，取而

26、代之的算法是基于非测距的算法， 其算法中相对认可度较高的最佳近似三角形逼近法和迪维跳数算法，它们都是 应用一些近似的运算和信号的时间，把距离测量转换为近似替代或者是划归区 实用标准文档 文案大全 域，实际的仿真效果在克拉美罗门限之内，所以得到了广泛的应用。近期，国 内外的研究学者绝大多数的研究成果都是在最佳近似三角形逼近法和迪维跳数 算法的基础上进行改进，目的是降低计算量，提高定位精度，其中应用比较广 泛的是分割圆算法，就是找到跳数一和跳数二的集合，用固定的半径设计分割 圆，将待测节点逼近在很小的范围之内，再用WCL 算法进行定位 8 。 1.4 本文的主要研究内容 无线传感器网络的定位算法是

27、本文主要研究的内容，通过对算法理论的分 析研究，提出合理的改进假设，利用数学模型和仿真软件验证改进算法的正确 性和稳定性。 本文所要完成的工作如下： 第一，分析国内外对于无线传感器网络的研究现状，结合其在近三十年的 发展背景下，找到WSN 在实际应用中的优势所在，在其中的关键技术上本文 提出了一个研究方向，就是基于非测距算法的优化和改进。 第二，查找文献，在宏观上把握WSN 的轮廓，分析其中的结构单元和实 现的主要功能，形成对网络设计的大体方向，分析研究测距和非测距形态下的 各种经典算法，重点掌握算法的各项性能指标和理论推导，通过这些工作确立 改进算法的设计思路和设计目标。 第三， 全面重点研

28、究TDOA 定位技术，总结 TDOA 的技术理论和定位优势， 按照查恩算法、最小二乘算法和加权处理的步骤进行设计仿真前的理论分析和 指标设置，在此基础上引入质心加权二次处理，对TDOA 技术进行改进。 第四，根据仿真软件MATLAB 的基本操作， 对互相关函数法、 查恩算法、 最小二乘法、最小二乘加权法和质心加权处理法进行编程调试，经过多次实验 仿真获得相应的实验数据，对数据进行详细的对比分析。 实用标准文档 文案大全 第 2 章 无线传感器网络定位技术研究 2.1 无线传感器网络的具体结构以及优势 组成无线传感器网络上是通过在一定的可控区域内，安装巨量的各种形体 较小的传感器，各种传感器通过

29、无线信号和扩频跳变进行网络通信，把大量传 感器和目的传感器获取的种类繁多，数据各异的信息量传回中间分析系统，在 通过分析系统分拣、组类、优化，最后将需求信息发送给需要此传感器信息的 使用者，能够完成很多遥控简化的数据测量。在目前的使用网络中尽管各种硬 件设施、软件分析系统、服务器处理功能都很成熟，但存在信息量巨大、网络 瘫痪、时间不能同步、信息单位冗杂等难以解决的问题，所以应用无线传感器 网络，开辟了一种新的组网方式，解决了有线传输成本较高的问题，有在信息 传输时间和信息处理上达到实时获取、实时分析、 实时传递、实时反馈的目的， 可以预见，在不久的将来，无线传感器网络将大力推广，广泛应用，为人

30、类文 明的进步做出标志性的贡献，开启全新的无线时代。 在组网阶段，对于无线传感器网络来说，将打破现有的组网方式，更新老 旧的体系结构，目前理论上可以这样组网，首先将其设定为立体的、多重的、 同步的网络特点，按照其特殊的性质发散式的安装网络节点，也就是无线传感 器网络的单元节点，在小型区域内设置接收传感器信号的机器终端、同样也会 安装相应类别的发射终端。在用户使用此网络时，必须有信息获取和请求的媒 介途径，这样的途径可以是互联网，也可以是广播电视网， 或者是移动通信网， 因此还会在用户使用时根据不同的传输媒介设置相应的操作界面。无论是节点 还是收发、无论是媒介还是界面，在组网的过程中，最关键的环

31、节就是传感器 节点，它直接代表着该网络能够实现的功能和网络特点，所以对于传感器的分 析是本文的一个重点。 传感器在作为网络节点时基本上实现的功能就是获取信号、处理信号、传 实用标准文档 文案大全 输信号，所以无论什么种类的传感器，都应具备上述三种的功能，缺一不可， 也就是说，传感器通过传感单元获取外界的数据，安装处理单元数据融合方式 进行简单的数据整理与分析，最后把信息移交给通信单元，进行发送接收。当 然任何传感器节点都会有其独立的供电单元，为传感器工作提供足够的能耗保 障，具体组成请参见图2-1。 定位系统移 动 传感器ADC 处理 存储 传输 电源单元 传感单元 处理单元 图 2-1 传感

32、器网络节点结构 传感器节点的布置方式会有很多途径，例如通过人工发射多枚含有传感器 的增雨弹，通过各种专业的机器大量布置等方式。无论怎样布置传感器，其都 有一定的组网目的，例如通过多个传感器的集体工作，采集相应的气象数据、 感知某些特定环境中的声音信号、通过光敏性质的传感器还可以进行对各种物 体立体形态的测量。 大多数传感器由于在使用上和携带上的问题，都会做的非常廉价，所以其 传输功能都是非常有限的，这就需要利用传感器的接力方式把采集信息向外传 送，例如图2-2 画出的一个典型的传递方式，就是传感器A 采集到的信息传给 B，B 接受后将进行存储，然后将本节点采集的信息连同上一节点发送过来的 信息

33、向外传递给C，A，通过这样的信息拓扑传递方式，最后由区间接收器进 行大量的信息汇总很处理，再把信息传给分析单元，进而延伸到使用用户。 实用标准文档 文案大全 卫星和网络 任务管理节点 接收器 （sink） 用户 E DC B A 传感器区域 传感器节点 图 2-2 网络体系结构 现在将无线传感网络与现有的实际网络进行一些特点上的比较，总结无线 传感器网络的特点： （1）硬件资源有限。WSN 节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和 存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分 布式信息处理的难题。 （2）电源容量有限。为了测量真实世界的具体值, 各个节点会密集地分布 于

34、待测区域内 , 人工补充能量的方法已经不再适用。当自身携带的电池的能量 耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何WSN 技术和协议的研 究都要以节能为前提。 （3）无中心。在无线传感器网络中, 所有节点的地位都是平等的, 没有预 先指定的中心 , 是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调, 在无 人值守的情况下 , 节点就能自动组织起一个测量网络。 （4）自组织。 网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通 过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组 成一个独立的网络。 （5）多跳（ Multi-hop ）路由。 WSN 节点通信能力有限，覆

35、盖范围只有几 十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。 （6）动态拓扑。 WSN 是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点 实用标准文档 文案大全 可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要 而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该 具有动态拓扑组织功能。 （7）节点数量众多，分布密集。WSN 节点数量大、分布范围广，难于维 护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容 错性。 然后总结无线传感器网络的优势： （1）传感器的类型的可谓是五花八门，随着科学技术的发展和各种新性能 材料的复合应用，传感器的制造成本在大

36、幅下降，而各种测绘遥感的技术也逐 渐应用进来，这就是建立无线传感网络的成本和技术达到了较好的时机，所以 一旦无线网络建立势必会在一些性能上优异于普通网络，可谓时代造就了无线 传感网络，历史的车轮和人类文明的进步在推动其不断向前发展 11 。组网时， 传感器的数量不会是10 个，100 个那样简单，因为要完成一项感知功能，就需 要全面了解感知物体的各种信息，所以在布置传感器是会将以数量级式递增来 组网，这样的巨量会使效果达到优化，并可以规避很多误差。 （2）本节开头时分析介绍了传感器在组网时要进行人工布置，但很多情况 下当需要测量和同步的地域是非常条件苛刻的，甚至是人类无法进入的区域。 （3）由

37、于传感器的体积较小，所以传感器可以布置在一些可以移动的物体 上， 所以和传统网络相比， 无线传感网络规避了在移动中需要硬件介入的问题， 所以无线传感器网络可以完成动态数据的测量及分析。 （4）传感器组网时会大量布置，也就是说，在多数区域，传感器的数量是 多余实际该区域需要的数量，因此，网络中，个别节点一旦出现传感功能失效， 就会有替代的传感节点弥补吗，所以无线传感网络的稳定程度具有非常高的水 平。 从目前无线传感器网路的发展来看，其实际的应用离所处的时代并不遥远， 无论是科学研究、测绘遥感，还是文艺表演、体育竞赛，甚至是的日常生活中 实用标准文档 文案大全 都已经感受到WSN 为人类文明带来的

38、巨大贡献。 2.2 算法定义和相关参数 无线传感器网络存在着有别于其他普通网络的重要特点，这个重要特点就 是当组网是，传感器的分布位置不是人工能够细节控制的，它们是通过互相的 联系，自行定位形成一个密集的采集数据网络。鉴于此，由于网络布置的复杂 性，人为的去寻找测量节点位置是不可能完成的，所以就需要定位技术，而定 位技术的关键就是应用何种算法进行定位。 在实际应用网络中，存在一些已知确切位置的节点或者基站，它们在网络 中起到处理数据、分析信息、传递指令等很多重要的职称作用，把这些节点在 无线传感器网络中称作锚节点，在浩瀚如海的传感器网络中，锚节点的数量是 极为有限的，但它存在的价值是非常巨大的

39、，担负着参考节点的作用，接下来 研究的算法都是利用锚节点的已知坐标进行对其他节点的定位，参照图2-3 所 示，可以看出锚节点只是这些传感器中的一小部分。 锚节点 未知节点 图 2-3 WSN中的锚节点和未知节点 无线传感器网络中的参数有很多个，在不同的算法中也应用了许多自己命 名的各种参数，由于很多参数的叙述都非常晦涩难懂，所以本文将重点结合图 2-2 分析几个常用的参数：因为在网络中存在大量的节点，而节点自身不仅要 获取测量数据，还要肩负着传递数据和存储数据的任务，所以要把一个节点和 实用标准文档 文案大全 其他万计的节点区分开来，所以除了节点本身外，所有的外部节点都称作其的 邻居节点。 2

40、.3 无线传感器网络的基础定位算法 2.3.1 TMM 算法 TMM算法也是一种基础的定位算法，它的基本原理是在无线传感器网络 中找到随机的三个锚节点，通过信号传递的夹角来确认未知节点是否能够在它 们围成的三角区域内，如果没有落在此区域内，就再重复上述操作，直到找到 一组锚节点符合要求，如图2-5 所示。假设这三个锚节点分别为A，B，C，需 要定位的节点为D，利用方向性天线从A 点向 D 点发信号， 找到对应的到达角 度， 同理 B， C 也发射信号找到对应的到达角度，可以测出三个方向角， ADB ， ADC ， BDC，现在以 AC 为弦， D 为圆弧上一点可以做出一个圆，通过知 道三角形

41、ABC 的内角，可以求出AOC 的值，设为 a。 通过角度的测量和A， B，C 三点之间的距离可以确定这个圆的圆心，同理可以找到分别以BC，AB 为弦的另外两个圆心，排除A ，B,C 三点组成的三角形，可以看出转化为 Trilateration 算法来进行求解了，通过上述的介绍，可以得到这样的一个方程组 (2-3)，可以得到O 点的坐标和半径，这样未知节点D 的坐标也就找到了： 22 o11o111 22 o13o131 2222 131311 (-)(-) (-)(-) (-)(-)2-2cos xxyyr xxyyr xxyyrra (2-3) 实用标准文档 文案大全 11 A(,)xy

42、o1o1 O(,)xy 33 C(,)xy 22 B(,)xy D( , )x y 图 2-4 TMM算法 2.3.2 MLE 算法 MLE 算法是一种单纯的数学推导法，这个方法在本中的涉及理论很多，所 以需要进行详细的论述，假设在无线传感器网络中能够准确的知道所有锚节点 的位置，并把它们统一的命名，分别对应的坐标为 11 (,)z y， 22 (,)zy， 33 (,)z y, , nn (,)zy，而这些锚节点通过具体测量，可以得到它到未知节点O( , )z y的距离 分别为 1 r ，2r ，3 r , ,nr ,根据平面上距离公式的原理，可以得出（ 2-4）的一组 方程： 222 11

43、1 222 222 ()() ()() zzyyr zzyyr (2-4) 222 ()() nnn zxzyr 按照数学递归的思想分别用第一个方程减去最后一个方程，再用第二个方 程减去最后一个方程，依次下去，可以的（2-5）的一组方程： 22222 1111 22222 2222 22222 1111 2 ()2 () 2 ()2 () 2 ()2 () nnnnn nnnnn nnnnnnnnn z zzy yyzzyrr z zzy yyzzyrr z zzy yyzzyrr (2-5) 实用标准文档 文案大全 推导到这步后将引进几个矩阵，分别是表达式（2-6） ， （2-7） ， （2

44、-8） 11 12 -1-1 2(-)2(-) 2(-)2(-) 2(-)2(-) nn nn nnnn zzyy zzyy M MM zzyy (2-6) 222222 111 222222 222 222222 -1-1-1 . nnn nnn nnnnnn zzyyrr zzyyrr N zzyyrr (2-7) z Z y (2-8) 因此（ 2-5）的方程群可以用MZN 表示，根据数学理论的最小均方估计 方法可以求出 1 est TT ZM MMN 2.3.3 非测距的 WCL 算法 WCL 算法最先提出此理论的是一名美国的著名学者，当时的应用范围是在 互联网的路由协议中的一个因素环

45、节，它的定位不需要进行对待测节点的距离 测量，理论的假设是所有的已知节点可以根据需要选择，经选择后待测节点位 于已知节点构成球体中心，在无线传感器网络中，WCL 算法可以应用在锚节点 密集区，这样的精度才符合克拉美罗门限，否则应用相对较少，但可以与其他 相关算法进行联合处理，也就是在应用某种算法估测后，得到相对集中的节点 位置，这些节点位置数据需要较多组数据，然后通过 WCL 算法进行二次处理， 使获得的数据进一步密集收敛。 在无线传感器网络中，设置多个锚节点，这些锚节点以一定的时间间隔循 实用标准文档 文案大全 环向待测节点发出信息，锚节点发布的信息是需要经过前期处理的，也就是这 些信息必须

46、搭载锚节点的具体坐标位置和一定的鉴别标识，目的是让未知节点 能够分辨出这个信息是来自于那个锚节点。对于未知节点来说，按照不同的时 间间隔，大量的接收来自锚节点发出的信息，在该未知节点中要设置停止接收 的条件，也就是当待测节点获得的信息量足够大时，大于在该节点中设置的信 息组数或者在接收时间上大于门限值时，该节点停止接收，进行信息处理，把 所有接收到的数据进行筛选，舍弃不符合标准的信标节点，将有用数据进行计 算，得到定位坐标，其计算公式为（3-1） ，其中符合标准的锚节点坐标为 i1i1ikik ,ZYZY i1i2iki1i2ik estest , ZZZYYY ZY kk （3-1） 2.3

47、.4 非测距的迪维 -跳数算法 迪维-跳数算法的模型分析是，首先锚节点对外发出信号，当通过最短路径 到达附近最近的锚节点时可以计算出锚节点的跳数。例如图2-6 所示，锚节点 有 L、M、N 三个节点，未知节点有a、b、c、d、e、Q 六个节点，其中Q 为需 要待测的未知节点，锚节点L 与锚节点 N 之间的直线距离为40 米，锚节点L 与锚节点 M 之间的直线距离为160 米，锚节点M 与锚节点 N 之间的直线距离 为 100 米。假设其中N 节点向外发射矢量信号，N 节点的信息可以通过两条途 径到达 L 节点，分别为N 节点到 a 节点再到L 节点和 N 节点到 c 节点再到b 节点再到 L

48、节点，这两条途径的跳数分别是2 个和 3 个，由于是矢量发射信号 的运算，所以当L 节点接收到N 节点通过 a 节点传递过来的信号后，L 节点就 不再接收通过其他途径来自N 的信息， 所以选取的跳数值为2 个，同理 N 节点 信息到达 M 节点时，是通过c 节点、 b 节点、 Q 节点、 d 节点、 e 节点，这样的 传播途径的跳数5 个(假设没有其它途径比这个途径更近，这样通过锚节点N 发出的信号最后到达附近节点M 和 L 节点的跳数分别为2 和 5。在更为复杂的 实用标准文档 文案大全 无线传感器网络中，由于存在很多个类似于L、M 、N 是我锚节点，而且信号 通过多个节点传递后衰减非常强烈

49、，而锚节点 N 发出的信号到达数以万计的锚 节点时计算跳数是非常复杂的，并且较远节点的跳数这对定位Q 节点的位置没 有意义， 所以迪维 -跳数算法在应用时可以引进局部区域的概念，现在就设置了 三个锚节点，已经得到N 到其他锚节点的跳数。 迪维 -跳数算法使用近似的平均每跳距离来代替直线距离的，所以通过图 2-6 将 N 点与 L 点的直线距离与N 点与 M 点的直线距离取和，40m+100m 为 140m，再利用这个和值近似代替N 点通过未知节点的跳数距离到达L、M 两点 的总跳数距离之和，将这个和值与7（跳数 2 与跳数 5 的和）取商得到平均每 跳的距离为20 米 22 。 根据这个平均每跳距离，锚节点N 将数据在此网络里进行广播，所有存在 与此网络的未知节点都得到了这个数值，同理 L 节点和 M 节点也将自身计算出 来的平均每跳距离向网络中广播，而其中所有未知节点收到每跳距离只选择距 离其最近的锚节点的数值，丢弃其他锚节点的数据，所以可以推导由于待测节 点 Q 距离 N 点的跳数最小，所以Q 点得到的平均没跳距离就是N 点发出的数 据 20 米。 迪维-跳数算法在计算待测节点距离锚节点的直线距离时，是通过该待测节 点得到网络中广播的跳数距离与其到达锚节点的跳数做乘法运算近似得到的。 所以由图 2-6 可知， Q 点到 N