摘 要: 節(jié)點位置的確定是水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基礎(chǔ)。為了提高節(jié)點定位精度并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,,提出一種使用海面浮標(biāo)節(jié)點作為參考節(jié)點的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法,。仿真結(jié)果表明該方法提高了節(jié)點定位的精度,并在一定程度上減少了能耗,。
關(guān)鍵詞: 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò),;3D定位;浮標(biāo)節(jié)點,;匯聚節(jié)點
水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)向水下環(huán)境應(yīng)用的延伸,,將為海洋能源的開發(fā)與保護、海洋軍事,、海洋災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)防等提供有力的支持,。但是,這一切要以位置已知的傳感器節(jié)點所采集的信息為基礎(chǔ),。水下節(jié)點的精確定位也因此成為現(xiàn)在急需解決的基礎(chǔ)性問題,。
1 相關(guān)研究
海洋條件下,電磁波會出現(xiàn)巨大的衰減,;光由于發(fā)生散射和折射等影響其在水中的作用,;聲音則相對較穩(wěn)定且比在空氣中傳播速度快,故采用聲音作為傳播介質(zhì)[1],。然而水下定位仍面對許多挑戰(zhàn),,如:海洋環(huán)境復(fù)雜多變,,不能夠像地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣,給節(jié)點定位算法提供一個相對穩(wěn)定的環(huán)境,;聲信號的傳播受到海洋環(huán)境(各處海水的鹽度,、溫度、噪聲均不同,,并時刻變化)的影響,,從而導(dǎo)致多途、時延,、能量衰減等不利現(xiàn)象產(chǎn)生[2-3],。因此,水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中解決節(jié)點定位問題時,,要考慮盡量減少不利條件的影響,,提高傳感器節(jié)點的利用率與信息傳播的準(zhǔn)確性。
根據(jù)是否需要測量參考節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離或角度,,節(jié)點定位方法主要分為非基于測距(range-free)定位算法和基于測距(range-based)定位算法兩種[2],。前者無需測得未知節(jié)點和參考節(jié)點間的距離,對硬件設(shè)備的要求較低,,定位過程中不需要消耗大量的能量,,但是只能提供不精確的定位,定位精度成為其主要問題,;后者由于測距(或角度)的需要,,而提高了相應(yīng)設(shè)備的硬件要求并增加了能量的消耗,但是能相對提高定位的精度,?;跍y距的定位算法的參考節(jié)點通常除了需要布置海面浮標(biāo)節(jié)點以外,還需要投放多個水下的固定錨節(jié)點,,再外加一個水下自主探測器AUV或者可以上下浮動的節(jié)點[4-5],。設(shè)備代價較為昂貴,,且節(jié)點間的通信量較大,。
在此基礎(chǔ)上,根據(jù)實際情況中節(jié)點布置的維數(shù)考慮,,水下傳感器網(wǎng)絡(luò)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):二維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò),。二維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中,參考節(jié)點和未知節(jié)點固定在海底,。此時,,定位問題簡化為三角計算問題。三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中,,傳感器節(jié)點懸浮在海水中,,并且深度可以調(diào)節(jié),。進行定位算法時,通常將參考節(jié)點投影到未知節(jié)點所在的平面上,,此時可以將水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的三維空間定位問題轉(zhuǎn)化為二維空間定位問題[6],。在水下環(huán)境中,二維定位算法的應(yīng)用范圍有限,,主要用于監(jiān)測海洋環(huán)境和研究海地板塊構(gòu)造,;而三維定位算法應(yīng)用范圍廣泛,也較實際[7],。
本文基于海面浮標(biāo)節(jié)點的定位算法進行研究,,未知節(jié)點漂浮在海水中,作為參考節(jié)點的浮標(biāo)節(jié)點和匯聚節(jié)點位于海面,,構(gòu)成三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。定位算法實現(xiàn)簡單,硬件要求低,,通信量小,,精度較高。
2 算法描述
算法中,,借助海面浮標(biāo)節(jié)點與匯聚節(jié)點進行定位,。假設(shè)多個浮標(biāo)節(jié)點和一個匯聚節(jié)點固定在海面上,其中,,匯聚節(jié)點具有非常強的存儲能力,、計算能力和通信能力,用于計算并存儲節(jié)點的位置,。浮標(biāo)節(jié)點及匯聚節(jié)點通過與衛(wèi)星通信,,能夠保持時鐘同步以及位置的準(zhǔn)確性。另外,,各浮標(biāo)節(jié)點到匯聚節(jié)點的距離為已知,。未知節(jié)點由船只拋撒下去之后,隨機分布在海水中,,均配備壓力傳感器以獲知其自身深度信息,。
假設(shè)未知節(jié)點n到達(dá)預(yù)定深度的時刻為t0,并開始全方位發(fā)送信息,。信號到達(dá)兩個浮標(biāo)節(jié)點i,、j(時刻計為t1i、t1j)和匯聚節(jié)點S(此時刻計為ts),。浮標(biāo)節(jié)點立刻把接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點,,其中間緩沖時刻可以忽略,信號到達(dá)時刻計為t2i、t2j,。則此時由3個節(jié)點組成的三角形的3條邊為已知,,浮標(biāo)節(jié)點和匯聚節(jié)點的坐標(biāo)已知。同時,,聲音在水下的傳播速度c km/s,。如圖1所示,圓圈代表的是未知節(jié)點,,星號代表的是參考節(jié)點,。
3 仿真實驗及結(jié)果分析
通過運用MATLAB軟件對提出的算法進行仿真驗證。算法中,,假設(shè)通信半徑R=200 m,,聲速c為1 500 m/s,,浮標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)分別為i(370,,0,0),,j(70,,420,,0)。以匯聚節(jié)點S為原點,,與浮標(biāo)節(jié)點i的連線為X軸,,j節(jié)點所在方向為Y軸正向,假設(shè)在一個500×500×500的空間內(nèi),,未知節(jié)點隨機分布,。以N1節(jié)點為例,實際坐標(biāo)為(375,,175,,81)(z坐標(biāo)為節(jié)點深度),在不加噪聲和干擾的情況下,,測得N1到S,、i、j節(jié)點的距離為422 m,、193 m,、399 m。帶入式(2)~式(6)中,。由于鏡像模糊的存在[5],,得到兩個不同的y坐標(biāo)(±175.314),,兩個節(jié)點關(guān)于XSZ平面對稱,;分別計算點(x,y1,z)和(x,,y2,,z)與j點的距離d1、d2,,與rnj相等的節(jié)點即為N1的真正坐標(biāo)(375,,175,81),。在無噪聲和延遲的情況下,,通過未知節(jié)點到參考節(jié)點的距離,可以求得參考節(jié)點的位置坐標(biāo),。
本文提出的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法,,以海面浮標(biāo)節(jié)點和匯聚節(jié)點為參考,減少了海底固定浮標(biāo)和AUV,,降低了設(shè)備代價,。另外,未知節(jié)點之間不需要通信,,降低了能量的消耗,。匯聚節(jié)點的計算能力較強,算法執(zhí)行高效,。但是,,在將來的研究中需要考慮到海水中聲波的時延和噪聲的影響。
算法改進,,由于海面可部署多個浮標(biāo)節(jié)點,,S節(jié)點作為原點,規(guī)定一個i節(jié)點,,S與i連線作為X軸,。其余浮標(biāo)節(jié)點分布在X軸兩側(cè)。在浮標(biāo)節(jié)點中任選兩個節(jié)點與匯聚節(jié)點S構(gòu)成一個定位算法的參考坐標(biāo)組,,多次執(zhí)行后得到多個未知節(jié)點的相對坐標(biāo),,取其平均值或者采用一定的數(shù)據(jù)融合技術(shù)提高節(jié)點定位的精度。
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