WSN中免測距距離估計算法的實(shí)現與比較

摘要 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)定位技術(shù)是保證其他應用有效的基本功能，而定位過(guò)程可分為距離估計和位置計算兩個(gè)階段。文中就距離估計階段介紹了Sum-Dist、DV-Hop以及Euclidean算法，并在Matlab中仿真實(shí)現，最后分析比較其結果表明，各算法在響應的環(huán)境中具有良好的表現，和一定的提升空間。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；距離估計；Sum-Dist；DV-Hop；Euclidean

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)的出現對于許多應用領(lǐng)域都具有重要意義，因此，其吸引了越來(lái)越多的研究者。近年來(lái)，微電子、無(wú)線(xiàn)通信和計算等技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了傳感器的快速發(fā)展，使得已經(jīng)在體積和短距離通信方面有優(yōu)勢的傳感器又向低成本、低功耗和多功能方面發(fā)展并逐漸成熟，并引起國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)在部署時(shí)往往是不可控制的，如在大型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)通常被撒播在廣泛的區域之中，而其中大部分節點(diǎn)的位置不能事先確定。然而，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)的位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測活動(dòng)尤為重要，沒(méi)有位置信息的監測消息是毫無(wú)意義的。對于一些突發(fā)事件，事件監測到之后所關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題就是事件發(fā)生的位置信息。如需要告知火災的發(fā)生地點(diǎn)、戰場(chǎng)上車(chē)輛運動(dòng)的區域、天然氣管道泄漏的具體地點(diǎn)等；又如在環(huán)境監測應用中，需要獲取采集信息所對應的物理位置。
因此，節點(diǎn)的定位問(wèn)題已成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)重要研究方向。傳感器節點(diǎn)的自身定位是一種通過(guò)估計距鄰居節點(diǎn)的距離或鄰居數目，并利用節點(diǎn)間的信息交換來(lái)確定各節點(diǎn)自身位置的機制。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，根據定位過(guò)程中是否實(shí)際測量節點(diǎn)間的距離，把定位機制分為：基于測距的(Range-based)定位和距離無(wú)關(guān)的(Range-free)定位方法。
由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )不同于傳統網(wǎng)絡(luò )，其能源有限，節點(diǎn)的通信能力、計算能力相對較弱，而節點(diǎn)數量較多，導致其定位算法必須考慮能源有效性、生命周期、通信延遲、感知精度、可擴展性、魯棒性等指標。而Range-free算法則僅利用節點(diǎn)間距離的關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)計算目標節點(diǎn)位置。定位精度較Range-based算法稍差，但由于其降低了對節點(diǎn)硬件的要求，相對更適于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的定位。典型算法有：DV-Hop、
Sum-Dist、Euclidean等。這些定位算法都需要經(jīng)過(guò)如圖1所示的定位過(guò)程：

1 免測距距離估計算法
1．1 Sum-Dist算法
Sum-Dist算法是距離估計算法中較簡(jiǎn)單的方法，其主要思想是將網(wǎng)絡(luò )泛洪過(guò)程中的每跳距離相加，以此作為兩個(gè)節點(diǎn)間的距離。從錨節點(diǎn)開(kāi)始，該錨節點(diǎn)會(huì )廣播一條包含自身標志、位置信息、并將路徑長(cháng)度置為0的消息。每個(gè)接收該消息的節點(diǎn)都會(huì )將測量距離加到路徑長(cháng)度上，并在泛洪限制許可的情況下，將該消息再次在網(wǎng)絡(luò )中廣播。如果關(guān)于同一個(gè)錨節點(diǎn)的消息兩次或多次廣播至未知節點(diǎn)，即僅在當前路徑長(cháng)度小于以前路徑長(cháng)度時(shí)，才允許繼續廣播。這樣，最終結果就是每個(gè)節點(diǎn)都儲存了每個(gè)錨節點(diǎn)的位置以及到達該錨節點(diǎn)跳數最少的距離。

圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單的Sum-Dist算法模型，節點(diǎn)A到錨節點(diǎn)1只有一條路徑，且僅有一跳，距離為5；到錨節點(diǎn)2也只有一條路徑，距離為5+6+6= 17；到錨節點(diǎn)3有兩條路徑：A-D-3以及A-D-E-3，需選擇跳數最少的路徑，即A-D-3，距離為7+7=14。