摘 要： 節(jié)點位置的確定是水下無線傳感器網(wǎng)絡的應用基礎(chǔ)。為了提高節(jié)點定位精度并延長網(wǎng)絡生命周期，提出一種使用海面浮標節(jié)點作為參考節(jié)點的水下傳感器網(wǎng)絡節(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；3D定位；浮標節(jié)點；匯聚節(jié)點
水下無線傳感器網(wǎng)絡是陸地無線傳感器網(wǎng)絡向水下環(huán)境應用的延伸，將為海洋能源的開發(fā)與保護、海洋軍事、海洋災害的監(jiān)測與預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)境復雜多變，不能夠像地面無線傳感器網(wǎng)絡一樣，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)絡有兩種拓撲結(jié)構(gòu)：二維水下傳感器網(wǎng)絡和三維水下傳感器網(wǎng)絡。二維水下傳感器網(wǎng)絡中，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；而三維定位算法應用范圍廣泛，也較實際[7]。
本文基于海面浮標節(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)點的浮標節(jié)點和匯聚節(jié)點位于海面，構(gòu)成三維拓撲結(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，借助海面浮標節(jié)點與匯聚節(jié)點進行定位。假設(shè)多個浮標節(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確性。另外，各浮標節(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到達預定深度的時刻為t0，并開始全方位發(fā)送信息。信號到達兩個浮標節(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，浮標節(jié)點和匯聚節(jié)點的坐標已知。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，浮標節(jié)點的坐標分別為i(370，0，0)，j(70，420，0)。以匯聚節(jié)點S為原點，與浮標節(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，實際坐標為(375，175，81)（z坐標為節(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(±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(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。
本文提出的水聲傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位算法，以海面浮標節(jié)點和匯聚節(jié)點為參考，減少了海底固定浮標和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。其余浮標節(jié)點分布在X軸兩側(cè)。在浮標節(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組，多次執(zhí)行后得到多個未知節(jié)點的相對坐標，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。
參考文獻
[1] 郭忠文，羅漢江，洪鋒，等.水下無線傳感器網(wǎng)絡的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展，2010，47(3)：377-389.
[2] HEIDEMANN J，YE W，WILLS J，et al.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C].Wireless Communications and Networking Conference，2006.IEEE，2006(1)：228-235.
[3] 李可非.水聲無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設(shè)計與開發(fā)[D].青島：中國海洋大學，2009.
[4] KIM C，LEE S，KIM K.3D underwater localization with hybrid ranging method for near-sea marine monitoring[C]. Embedded and Ubiquitous Computing(EUC)，2011 IFIP 9th International Conference on，IEEE，2011：438-441.
[5] EROL M，VIEIRA L F M，GERIL M.Localization with Dive'N'Rise (DNR) beacons for underwater acoustic sensor networks[C].Proceedings of the Second Workshop on Under water Networks.ACM，2007：97-100.
[6] POMPILI D，MELODIA T，AKYILDIZ I F.Three-dimensional and two-dimensional deployment analysis for underwater a coustic sensor networks[J].Ad Hoc Networks，2009，7(4)：778-790.
[7] 孔慶茹，楊新宇，閆超，等.一種基于接收信號強度指示的改進型定位算法[J].西安交通大學學報，2008，42(2)：147-151.