基于MCL算法的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)

　引言

　　無線傳感器
傳感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。 [全文]

網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，位置信息是節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)信息通常是毫無意義的。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。為了能夠提供有效的位置信息，隨機(jī)布置的傳感器
傳感器
　　凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)量信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。

節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)部署完成后必須能夠確定自身所在的位置。一般的定位算法分類為基于距離定位算法和距離無關(guān)定位算法。基于距離的定位能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)的精確定位，但往往對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求較高。出于硬件成本、能耗等方面的考慮，使用距離無關(guān)(Range-free)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)可不需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的絕對(duì)距離或者方位，降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件要求，但定位誤差相應(yīng)有所增加。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算、通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。由于近來微型制造的技術(shù)、通訊技術(shù)及電池技術(shù)的改進(jìn),促使微小的傳感器可具有感應(yīng)、無線通訊及處理信息的能力。此類傳感器不但能夠感應(yīng)及偵測(cè)環(huán)境的目標(biāo)物及改變,并且可處理收集到的數(shù)據(jù),并將處理過后的資料以無線傳輸?shù)姆绞剿偷綌?shù)據(jù)收集中心或基地臺(tái)。這些微型傳感器通常由傳感部件、數(shù)據(jù)處理部件和通信部件組成,隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào),從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。在通信方式上,雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式,但一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用,一般稱作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

的節(jié)點(diǎn)定位策略通常使用少量位置已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)．其它位置未知的普通節(jié)點(diǎn)從它們接收到的信息估計(jì)自己所處的位置?，F(xiàn)有節(jié)點(diǎn)定位方法大多采用上述策略，典型的Range-free定位算法主要包括：質(zhì)心定位、A-morphous、SPA(self-positioning algorithm)、凸規(guī)劃、APS(adhoc positioning system、APIT等。然而這些方法都沒有考慮節(jié)點(diǎn)(包括普通節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn))具有位置移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)情形。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致定位過程變得更加困難而且復(fù)雜。本文使用Monte Carlo定位(MCL)算法來解決節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
傳感器網(wǎng)絡(luò)
　　通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。智能傳感器的開發(fā)和大量使用，導(dǎo)致了在分布式控制系統(tǒng)中，對(duì)傳感信息交換提出了許多新的要求。 單獨(dú)的傳感器數(shù)據(jù)采集已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，取而代之的是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)施遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類存儲(chǔ)和應(yīng)用。

的節(jié)點(diǎn)定位問題，并針對(duì)MCL算法的一些應(yīng)用限制進(jìn)行了改進(jìn)。

　　l MCL定位算法

　　MCL算法的核心思想是利用一系列加權(quán)采樣值表示可能位置的后驗(yàn)概率分布，目的在于確定節(jié)點(diǎn)所在可能位置的后驗(yàn)概率分布。算法每一步都包括位置預(yù)測(cè)和位置更新兩個(gè)階段。位置預(yù)測(cè)階段是利用m個(gè)加權(quán)采樣值對(duì)后驗(yàn)概率分布進(jìn)行描述的過程，位置更新階段則是通過重要性采樣操作對(duì)其進(jìn)行及時(shí)不斷更新，采樣值的權(quán)重值從O和l中取值。

　　MCL，定位算法的基本步驟：

　　1．1 位置估計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)定位問題可以在如下狀態(tài)空間內(nèi)描述。以￡表示離散時(shí)間，lt表示f時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的位置分布，Dt表示節(jié)點(diǎn)在t-1t時(shí)刻到t時(shí)刻之間接收到的來自信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)值。轉(zhuǎn)換方程p(lt|lt-1)表示基于節(jié)點(diǎn)先前位置對(duì)其當(dāng)前所在位置的估計(jì)。觀測(cè)方程p(lt，Ot，)表示在給定觀測(cè)值的情況下節(jié)點(diǎn)位于位置lt的概率。算法的目標(biāo)是對(duì)節(jié)點(diǎn)位置的濾波分布p(lt|O0,O1,…，Ot)隨時(shí)間進(jìn)行反復(fù)估計(jì)。用一組采樣值Lt(N個(gè))表示節(jié)點(diǎn)的位置分布lt，而且每一時(shí)間段內(nèi)算法要對(duì)采樣序列進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，由于Lt-1是對(duì)先前所有觀測(cè)值的一個(gè)集中反映，因此僅使用Lt-1和Ot就可以計(jì)算出lt。

　　位置估計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)流程：

　　(1)初始化。節(jié)點(diǎn)最初不具備任何關(guān)于其自身所在N個(gè)位置的先驗(yàn)知識(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行初始化操作(N表示算法執(zhí)行過程中所要維持的采樣數(shù))。

　　L0=[節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇的N個(gè)可能位置]

　　(2)循環(huán)計(jì)算。根據(jù)Lt-1、上一時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)的可能位置序列以及新的觀測(cè)值Ot計(jì)算出節(jié)點(diǎn)新的可能位置Lt。

　　預(yù)測(cè)：

　　在算法起始階段節(jié)點(diǎn)對(duì)其所在的位置沒有任何先驗(yàn)知識(shí)。因此可由質(zhì)心算法估計(jì)初始位置。質(zhì)心算法的核心思想是：普通節(jié)點(diǎn)以所有在其通信范圍內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為自己的估計(jì)位置。其實(shí)現(xiàn)過程非常簡(jiǎn)單：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信標(biāo)信號(hào)，信號(hào)中包含有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身的ID和位置信息。當(dāng)位置未知的普通節(jié)點(diǎn)接收到來自信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)信號(hào)數(shù)量超過某一個(gè)預(yù)設(shè)的門限值后，該節(jié)點(diǎn)認(rèn)為與此信標(biāo)節(jié)點(diǎn)連通，并將自身位置確定為所有與之連通的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。

　　初始位置確定后的每一時(shí)間段內(nèi)．位置序列都會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和新的觀測(cè)信息進(jìn)行更新。節(jié)點(diǎn)位置的估計(jì)可以通過計(jì)算集合L內(nèi)節(jié)點(diǎn)的所有可能位置的平均值獲得。