基于MCL算法的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定位技術(shù)

　引言

　　無(wú)線(xiàn)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、效應等把物理量或化學(xué)量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的系統”。傳感器是傳感系統的一個(gè)組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。 [全文]

網(wǎng)絡(luò )的應用中，位置信息是節點(diǎn)采集數據時(shí)不可缺少的部分，沒(méi)有位置信息的監測信息通常是毫無(wú)意義的。確定事件發(fā)生的位置或采集數據的節點(diǎn)位置是無(wú)線(xiàn)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、效應等把物理量或化學(xué)量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的系統”。傳感器是傳感系統的一個(gè)組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。

節點(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(lèi)為基于距離定位算法和距離無(wú)關(guān)定位算法。基于距離的定位能夠實(shí)現節點(diǎn)的精確定位，但往往對節點(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(wú)關(guān)(Range-free)的節點(diǎn)定位技術(shù)可不需要測量節點(diǎn)之間的絕對距離或者方位，降低了對節點(diǎn)的硬件要求，但定位誤差相應有所增加。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為計算、通信和傳感器三項技術(shù)相結合的產(chǎn)物,是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。由于近來(lái)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、無(wú)線(xiàn)通訊及處理信息的能力。此類(lèi)傳感器不但能夠感應及偵測環(huán)境的目標物及改變,并且可處理收集到的數據,并將處理過(guò)后的資料以無(wú)線(xiàn)傳輸的方式送到數據收集中心或基地臺。這些微型傳感器通常由傳感部件、數據處理部件和通信部件組成,隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )。借助于節點(diǎn)中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號,從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、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)現象。在通信方式上,雖然可以采用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外和光等多種形式,但一般認為短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò )使用,一般稱(chēng)作無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

的節點(diǎn)定位策略通常使用少量位置已知的信標節點(diǎn)．其它位置未知的普通節點(diǎn)從它們接收到的信息估計自己所處的位置?，F有節點(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)、凸規劃、APS(adhoc positioning system、APIT等。然而這些方法都沒(méi)有考慮節點(diǎn)(包括普通節點(diǎn)和信標節點(diǎn))具有位置移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò )情形。節點(diǎn)的移動(dòng)性會(huì )導致定位過(guò)程變得更加困難而且復雜。本文使用Monte Carlo定位(MCL)算法來(lái)解決節點(diǎn)具有移動(dòng)性的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
傳感器網(wǎng)絡(luò )
　　通信技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì )已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò )時(shí)代。智能傳感器的開(kāi)發(fā)和大量使用，導致了在分布式控制系統中，對傳感信息交換提出了許多新的要求。 單獨的傳感器數據采集已經(jīng)不能適應現代控制技術(shù)和檢測技術(shù)的發(fā)展，取而代之的是分布式數據采集系統組成的傳感器網(wǎng)絡(luò )，傳感器網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)施遠程采集數據，并進(jìn)行分類(lèi)存儲和應用。

的節點(diǎn)定位問(wèn)題，并針對MCL算法的一些應用限制進(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采樣值表示可能位置的后驗概率分布，目的在于確定節點(diǎn)所在可能位置的后驗概率分布。算法每一步都包括位置預測和位置更新兩個(gè)階段。位置預測階段是利用m個(gè)加權采樣值對后驗概率分布進(jìn)行描述的過(guò)程，位置更新階段則是通過(guò)重要性采樣操作對其進(jìn)行及時(shí)不斷更新，采樣值的權重值從O和l中取值。

　　MCL，定位算法的基本步驟：

　　1．1 位置估計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的移動(dòng)定位問(wèn)題可以在如下?tīng)顟B(tài)空間內描述。以￡表示離散時(shí)間，lt表示f時(shí)刻節點(diǎn)的位置分布，Dt表示節點(diǎn)在t-1t時(shí)刻到t時(shí)刻之間接收到的來(lái)自信標節點(diǎn)的觀(guān)測值。轉換方程p(lt|lt-1)表示基于節點(diǎn)先前位置對其當前所在位置的估計。觀(guān)測方程p(lt，Ot，)表示在給定觀(guān)測值的情況下節點(diǎn)位于位置lt的概率。算法的目標是對節點(diǎn)位置的濾波分布p(lt|O0,O1,…，Ot)隨時(shí)間進(jìn)行反復估計。用一組采樣值Lt(N個(gè))表示節點(diǎn)的位置分布lt，而且每一時(shí)間段內算法要對采樣序列進(jìn)行反復計算，由于Lt-1是對先前所有觀(guān)測值的一個(gè)集中反映，因此僅使用Lt-1和Ot就可以計算出lt。

　　位置估計算法的實(shí)現流程：

　　(1)初始化。節點(diǎn)最初不具備任何關(guān)于其自身所在N個(gè)位置的先驗知識，需要對其進(jìn)行初始化操作(N表示算法執行過(guò)程中所要維持的采樣數)。

　　L0=[節點(diǎn)部署區域內隨機選擇的N個(gè)可能位置]

　　(2)循環(huán)計算。根據Lt-1、上一時(shí)間段內節點(diǎn)的可能位置序列以及新的觀(guān)測值Ot計算出節點(diǎn)新的可能位置Lt。

　　預測：

　　在算法起始階段節點(diǎn)對其所在的位置沒(méi)有任何先驗知識。因此可由質(zhì)心算法估計初始位置。質(zhì)心算法的核心思想是：普通節點(diǎn)以所有在其通信范圍內的信標節點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為自己的估計位置。其實(shí)現過(guò)程非常簡(jiǎn)單：信標節點(diǎn)向鄰居節點(diǎn)廣播一個(gè)信標信號，信號中包含有信標節點(diǎn)自身的ID和位置信息。當位置未知的普通節點(diǎn)接收到來(lái)自信標節點(diǎn)的信標信號數量超過(guò)某一個(gè)預設的門(mén)限值后，該節點(diǎn)認為與此信標節點(diǎn)連通，并將自身位置確定為所有與之連通的信標節點(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．位置序列都會(huì )根據節點(diǎn)的運動(dòng)和新的觀(guān)測信息進(jìn)行更新。節點(diǎn)位置的估計可以通過(guò)計算集合L內節點(diǎn)的所有可能位置的平均值獲得。