虚拟力的wsan测距定位算法研究
1无线传感器与执行器网络（Wireless Sensor and Actor Network,WASN）是在已有的无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）的基础上发展而来，通常由若干传感器和执行器组成，执行器负责对传感器采集的信息进行分析处理。在某种意义上WSAN是能够改变物理世界的新型网络，因此对于重要的定位技术也有更高的要求。由于加入了执行器，现有的WSN定位算法不能直接移植到WSAN。本文提出了一种基于虚拟力的WSAN测距定位算法，使用移动的执行器节点替代传统WSN定位算法中的锚节点，并将虚拟力模型引入基于信号传输时间的（Time of Arrival,TOA）测距算法，在根据信号传输时间进行测距的同时，利用虚拟力驱动执行器节点逼近提出定位请求的传感器节点，从而提高了定位成功率。此外，算法采用2层时间同步算法，有效地降低了定位误差，最后，仿真实验结果证明了算法的有效性。
目 录
Abstract 1
Key words 1
1 引言 ..l
2相关工作 2
3 基于虚拟力的测距定位算法 3
3.1 网络模型 4
3.2 虚拟力模型及节点移动机制 4
3.2.1 虚拟力模型 4
3.2.2 节点移动机制 4
3.3 时间同步 5
3.3.1 网络分簇 5
3.3.2时间同步 7
3.4 测量定位算法 8
4 仿真实验 10
4.1仿真环境 10
4.2 性能评价指标 10
4.3 仿真场景 10
4.4 仿真结果 11
4.4.1 仿真试验1 11
4.4.2 仿真试验2 17
4.4.3 仿真试验3 21
4.5 实验结果小结 26
5 总结 26
致谢 26
参考文献 27
基于虚拟力的WSAN测距定位算法研究
网络工程专业学生 张茂林
指导教师 王浩云
Research On Rangebased *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
Localization Algorithm with Virtual Force in Wireless Sensor and Actor Network
Student majoring in Network Engineering Zhang Maolin
Tutor Wang Haoyun
Abstract: TheWrleless Sensor and Actor Network(WSAN) is derived from Wireless Sensor Network(WSN) which consists of couples of sensor nodes and actor nodes. Actor is responsible for the information’s analysis and processing collected by sensors.To some extent,WSAN is a type of new network,which can change the physical world.So WSAN makes more demands for the important localization technology.Since joined the actor, existing WSN localization algorithms cant be transplanted into WSAN.This paper proposes a rangebased localization algorithm with virtual force in WSAN, uses mobile actors instead of anchors in traditional localization algorithm of WSN,and it introduces virtual force model into TOA algorithm, When range according to signal transmission time, use of virtual force drive actor node approach locate requesting sensor nodes , so as to improve the localization success rate. In addition, the algorithm adopts two layers of time synchronization algorithm, effectively reduce the positioning error, finally, the simulation results prove the effectiveness of the algorithm.
Key words:WSAN；Virtual Force；Time Synchronization；Rangebased localization
1引言
无线传感器执行器网络（Wireless Sensor and Actor Network,WSAN）是在已有的无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）的基础上发展而来的。二者的区别在于WSN只能监测物理世界，而WSAN则可以做出改变[1]。
L.F.Akyildiz等人在2004年提出了WSAN的概念，之后迅速发展，得到越来越多的关注，该领域的许多问题值得研究，比如路由算法、节点定位技术、时间同步、数据融合等。并且随着微电子技术、无线通信技术及嵌入式技术的发展，WSAN在众多领域逐渐大展身手。另外WSAN在设施农业、智能交通、环境监测军事侦察、人员识别等领域也有着广泛应用[2]。
在WSAN中通过执行器处理传感器采集的物理世界的信息，因此传感器节点的位置信息是至关重要的，因为只有知道传感器的位置采集的信息才有意义[3]。例如，在森林防火中，传感器节点感应到火苗，立刻通知本地的执行器（喷水器）进行灭火，防止火星变成不可控制的森林大火状态[4]。又如，矿工在井下作业时随身携带温度和气体的传感器来监测周围环境，当发生事故时，救援队可以根据传感器报告的位置进行更有效的人员搜救。此外，网络管理中也需要传感器节点位置信息的辅助，例如目标的动态跟踪、基于地理位置的路由、建立网络拓扑管理及实现网络负载均衡等等[5]。
传感器节点的定位问题一直是WSN/WSAN的研究热点。WSN常用的定位方式有基于测距/非测距、分布式/集中式定位、绝对定位/相对定位、有锚节点和无锚节点定位。由于引入了执行器节点，现有的WSN定位算法不能直接应用于WSAN。
全球定位系统(Global Positioning System,GPS)也可用于物体的定位，但其接收机价格高昂，不适合安装在能量、体积、成本等受限的传感器节点上，通常只安装在数量较少，功能较强的执行器节点上。而且，WSAN对定位的精度较民用GPS的精度要求更高，因此无法直接将GPS定位用于WSAN定位。
本文首先介绍了WSAN节点定位技术及其国内外研究现状，在此基础上提出了WSAN中定位的要求和目前存在的问题。为解决目前WSN/WSAN定位算法中存在的缺陷，文章引入虚拟力模型和时间同步算法，并通过仿真实验验证了二者对改善定位成功率和定位精度的有效性。
目 录
Abstract 1
Key words 1
1 引言 ..l
2相关工作 2
3 基于虚拟力的测距定位算法 3
3.1 网络模型 4
3.2 虚拟力模型及节点移动机制 4
3.2.1 虚拟力模型 4
3.2.2 节点移动机制 4
3.3 时间同步 5
3.3.1 网络分簇 5
3.3.2时间同步 7
3.4 测量定位算法 8
4 仿真实验 10
4.1仿真环境 10
4.2 性能评价指标 10
4.3 仿真场景 10
4.4 仿真结果 11
4.4.1 仿真试验1 11
4.4.2 仿真试验2 17
4.4.3 仿真试验3 21
4.5 实验结果小结 26
5 总结 26
致谢 26
参考文献 27
基于虚拟力的WSAN测距定位算法研究
网络工程专业学生 张茂林
指导教师 王浩云
Research On Rangebased *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
Localization Algorithm with Virtual Force in Wireless Sensor and Actor Network
Student majoring in Network Engineering Zhang Maolin
Tutor Wang Haoyun
Abstract: TheWrleless Sensor and Actor Network(WSAN) is derived from Wireless Sensor Network(WSN) which consists of couples of sensor nodes and actor nodes. Actor is responsible for the information’s analysis and processing collected by sensors.To some extent,WSAN is a type of new network,which can change the physical world.So WSAN makes more demands for the important localization technology.Since joined the actor, existing WSN localization algorithms cant be transplanted into WSAN.This paper proposes a rangebased localization algorithm with virtual force in WSAN, uses mobile actors instead of anchors in traditional localization algorithm of WSN,and it introduces virtual force model into TOA algorithm, When range according to signal transmission time, use of virtual force drive actor node approach locate requesting sensor nodes , so as to improve the localization success rate. In addition, the algorithm adopts two layers of time synchronization algorithm, effectively reduce the positioning error, finally, the simulation results prove the effectiveness of the algorithm.
Key words:WSAN；Virtual Force；Time Synchronization；Rangebased localization
1引言
无线传感器执行器网络（Wireless Sensor and Actor Network,WSAN）是在已有的无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）的基础上发展而来的。二者的区别在于WSN只能监测物理世界，而WSAN则可以做出改变[1]。
L.F.Akyildiz等人在2004年提出了WSAN的概念，之后迅速发展，得到越来越多的关注，该领域的许多问题值得研究，比如路由算法、节点定位技术、时间同步、数据融合等。并且随着微电子技术、无线通信技术及嵌入式技术的发展，WSAN在众多领域逐渐大展身手。另外WSAN在设施农业、智能交通、环境监测军事侦察、人员识别等领域也有着广泛应用[2]。
在WSAN中通过执行器处理传感器采集的物理世界的信息，因此传感器节点的位置信息是至关重要的，因为只有知道传感器的位置采集的信息才有意义[3]。例如，在森林防火中，传感器节点感应到火苗，立刻通知本地的执行器（喷水器）进行灭火，防止火星变成不可控制的森林大火状态[4]。又如，矿工在井下作业时随身携带温度和气体的传感器来监测周围环境，当发生事故时，救援队可以根据传感器报告的位置进行更有效的人员搜救。此外，网络管理中也需要传感器节点位置信息的辅助，例如目标的动态跟踪、基于地理位置的路由、建立网络拓扑管理及实现网络负载均衡等等[5]。
传感器节点的定位问题一直是WSN/WSAN的研究热点。WSN常用的定位方式有基于测距/非测距、分布式/集中式定位、绝对定位/相对定位、有锚节点和无锚节点定位。由于引入了执行器节点，现有的WSN定位算法不能直接应用于WSAN。
全球定位系统(Global Positioning System,GPS)也可用于物体的定位，但其接收机价格高昂，不适合安装在能量、体积、成本等受限的传感器节点上，通常只安装在数量较少，功能较强的执行器节点上。而且，WSAN对定位的精度较民用GPS的精度要求更高，因此无法直接将GPS定位用于WSAN定位。
本文首先介绍了WSAN节点定位技术及其国内外研究现状，在此基础上提出了WSAN中定位的要求和目前存在的问题。为解决目前WSN/WSAN定位算法中存在的缺陷，文章引入虚拟力模型和时间同步算法，并通过仿真实验验证了二者对改善定位成功率和定位精度的有效性。
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