无线传感网络大作业

节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。

17.WSN中故障模型分类和区别。

答：WSN中的故障模型分为网络模型和数据模型。

网络模型：无线传感器网络中节点的状态可分为正常和故障。故障是“永久”和“静态”的，所谓“永久”是指故障节点将持续故障直到该节点被维修或替代，所谓“静态”是指在节点故障诊断过程中不产生新故障。无线传感器网络的节点故障分为两类：硬故障和软故障。

数据模型：在无线传感器网络中，节点和其邻节点之间具有空间的相似性，即网络中无故障的相邻传感器节点之间具有相同或相似的测量值。因此，可以通过邻节点感知的传感数据来诊断当前节点的状态。

18.TOA/TDOA/RTOF的工作原理及计算公式。

答：TOA：已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。d=[(T3-T0)-(T2-T1)]*V/2

TDOA：发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。d=(T2-T1)*C1C2/(C1-C2)

19.测距方式对精度的影响，尤其是各种物理信号用于测量距离时，可以达到的定位精度区别，采用射频信号，设TOA达到始终精度为1ms，则测距精度是多少？

答：定位的精确度是无线传感器网络定位算法的重要评价指标，然而测距是测距定位算法的先决条件。常用测量距离方法主要有：RSSI、TOA、TDOA、AOA等。很多典型的基于测距技术的定位算法没有考虑到现实环境中多种多样的因素，而是在理想的部署环境下评测的，当部署环境中存在障碍物时，很多提高定位精度的算法是无效的，还有可能降低定位的精度。

接收信号强度指示(Received signal Strength indicator，RSSI)：已知发

送节点的信号功率，根据接收节点接收到的信号功率，然后根据传播信号损耗模型，计算两个节点之间的距离，并利用节点之间的距离进行定位的技术。对于射频系统(RF)，多路反射、背景干扰、不规则的信号传播特性会使得估计的距离不精确。

到达时间(Time of arrival，TOA)：根据信号的到达时间进行测距。最常见的使用TOA技术进行测距的技术是GPS，GPS系统的价格较贵，能量消耗大，并且需要与卫星的时钟同歩。基于无线传感器网络的硬件和内部能量限制，GPS和其它基于TOA的设备太过昂贵。

到达时间差(Time difference of arrival，TDOA)：在一对临近节点间，基于声波和电磁波的不同到达时间计算它们距离。但是，室外环境非常的复杂。例如，草对声音有严重的阻尼效应，廉价的扬声器和操作系统使得调度和驱动花费较多时间，影响时间测量的准确性，回声和多径效应会使得提供的数据有误。通过对测量距离进行信号处理、统计滤波和一致性检验来解决这些问题。

到达角度(Angle of arrival，AOA)：需要估算邻居节点发送信号的角度。由于辅助设备成本过高，因此AOA技术不能广泛用于大规模无线传感器网络中。

若采用射频信号， TOA的时钟精度为1ms，则测距精度是为3?105。

20.简要说明三边定位、质心算法？

答：三边定位：

设未知节点D的坐标(xd,yd),A、B 、C 3个信标节点的坐标分别为(xa,ya)、

(xb,yb)、(xc,yc)，它们到 D的距离分别为dad,dbd,dcd，则可得如下方程组：

2?(x?xa)2?(y?ya)2?dad???????222?(x?xb)?(y?yb)?dbd?????? ?222(x?x)?(y?y)?dcccd???????式（1）减式（3），式（2）减式（3）后联立方程

222222??2(xa?xc)x?2(ya?yc)y?xa?xc?ya?yc?dcd?dad ?222222??2(xb?xc)x?2(yb?yc)y?xb?xc?yb?yc?dcd?dbd可解得 D点的坐标(xd,yd)。

三边测距算法确定未知节点的坐标的思想可用图1来表示。

图1

由于三边测距算法基于两条直线的交点来估算未知节点的坐标，没有充分利用 A、B 、C 3个节点的坐标信息，使估算的未知节点的坐标可能存在比较大的误差。

在图2，图3的情况下，根据(1)(2)(3)式可解出圆 A与圆 C的交点

Mac2(xac2,yac2),圆 B与圆 C的交点Mbc1(xbc1,ybc1),Mbc2(xbc2,ybc2),Mac1(xac1,yac1)，

圆 A与圆 B的交点Mab1(xab1,yab1),Mab2(xab2,yab2).通过将圆A与圆C交点

Mac1(xac1,yac1)，Mac2(xac2,yac2)代入式(x?x2)2?(y?y2)2,判断大小可找出两点距圆 B的圆心较近的点,假设为Mac1(xac1,yac1).同理可找出圆 B ,圆 C交点中距圆 A较近的点设为Mbc1(xbc1,ybc1),圆 A,圆 B交点中距圆 C的圆心较近的点设为

Mab2(xab1,yab1).依据质心思想估算未知节点D的坐标为：

(xd,yd)?(xac1?xab1?xbc1yac1?yab1?ybc1,) (4).

33 质心算法：

在计算几何学里多边形的几何中心称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心结点的坐标。假设多边形定点位置的坐标向量表示为pi=(xi,yi)T,则这个多边形的质心坐标(x,y)为

1n1n(x,y)?(?Xi,?Yi)

ni?1ni?1这种方法的计算与实现都非常简单，根据网络的连通性确定目标结点周围的信标参考结点，直接求解信标参考结点构成的多边形的质心。

在传感器网络质心定位系统的实现中，锚点周期性地向临近结点广播分组信息，该信息包含了锚点的标识和位置。当未知结点接收到来自不同锚点的分组信息数量超过某一门限或在接收一定时间之后，就可以计算这些锚点所组成的多边形的质心，作为确定出自身位置。由于质心算法完全基于网络连通性，无需锚点和未知结点之间的协作和交互式通信协调，因而易于实现。

质心定位算法虽然实现简单、通信开销小，但仅能实现粗粒度定位，希望信标锚点具有较高的密度，各锚点部署的位置也对定位效果有影响。

21.说明DV-Hop的距离计算步骤。

答：（1）计算未知节点与每个信标节点的最小跳数。信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0。接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳数，忽略来自同一个信标节点的较大跳数的分组。然后将跳数值加1，并转发给邻居节点。通过这个方法，网络中的所有节点能够记录下到每个信标节点的最小跳数。

（2）计算未知节点与信标节点的实际跳段距离。每个信标节点根据第一个阶段中记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，利用下式估算平均每跳的实际距离，

?HopSizei?j?i(xi?xj)2?(yi?yj)2?hjj?i

其中，(xi,yi)，(xj,yj)是信标节点i，j的坐标，hj是信标节点i与j(i?j)之间的跳段数。

然后，信标节点将计算的每跳平均距离用带有生存期字段的分组广播至网络中，位置节点仅记录接收到的第一个每跳平均距离，并转发给邻居节点。这个策略确保了绝大多数节点从最近的信标节点接收每跳平均距离值。未知节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点的跳段距离。

（3）利用三边测量法或极大似然估计法计算自身位置。未知节点利用第二阶段中记录的到各个信标节点的跳段距离，利用三边测量法或极大似然估计法计