摘  要： 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法。仿真結(jié)果表明該方法提高了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)

    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(hù)、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(diǎn)所采集的信息為基礎(chǔ)。水下節(jié)點(diǎn)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(huì)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(duì)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(duì)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(diǎn)定位算法提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境；聲信號(hào)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(shí)刻變化)的影響，從而導(dǎo)致多途、時(shí)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(diǎn)定位問題時(shí)，要考慮盡量減少不利條件的影響，提高傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離或角度，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)間的距離，對(duì)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(duì)提高定位的精度?；跍y距的定位算法的參考節(jié)點(diǎn)通常除了需要布置海面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)以外，還需要投放多個(gè)水下的固定錨節(jié)點(diǎn)，再外加一個(gè)水下自主探測器AUV或者可以上下浮動(dòng)的節(jié)點(diǎn)[4-5]。設(shè)備代價(jià)較為昂貴，且節(jié)點(diǎn)間的通信量較大。
    在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況中節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)固定在海底。此時(shí)，定位問題簡化為三角計(jì)算問題。三維水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)懸浮在海水中，并且深度可以調(diào)節(jié)。進(jìn)行定位算法時(shí)，通常將參考節(jié)點(diǎn)投影到未知節(jié)點(diǎn)所在的平面上，此時(shí)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(shí)際[7]。
    本文基于海面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法進(jìn)行研究，未知節(jié)點(diǎn)漂浮在海水中，作為參考節(jié)點(diǎn)的浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)位于海面，構(gòu)成三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。定位算法實(shí)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(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。假設(shè)多個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)固定在海面上，其中，匯聚節(jié)點(diǎn)具有非常強(qiáng)的存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力和通信能力，用于計(jì)算并存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的位置。浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)通過與衛(wèi)星通信，能夠保持時(shí)鐘同步以及位置的準(zhǔn)確性。另外，各浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離為已知。未知節(jié)點(diǎn)由船只拋撒下去之后，隨機(jī)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(diǎn)n到達(dá)預(yù)定深度的時(shí)刻為t0，并開始全方位發(fā)送信息。信號(hào)到達(dá)兩個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)i、j(時(shí)刻計(jì)為t1i、t1j)和匯聚節(jié)點(diǎn)S(此時(shí)刻計(jì)為ts)。浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)立刻把接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，其中間緩沖時(shí)刻可以忽略，信號(hào)到達(dá)時(shí)刻計(jì)為t2i、t2j。則此時(shí)由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的三角形的3條邊為已知，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)已知。同時(shí)，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(diǎn)，星號(hào)代表的是參考節(jié)點(diǎn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
    通過運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)提出的算法進(jìn)行仿真驗(yàn)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(diǎn)的坐標(biāo)分別為i(370，0，0)，j(70，420，0)。以匯聚節(jié)點(diǎn)S為原點(diǎn)，與浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)i的連線為X軸，j節(jié)點(diǎn)所在方向?yàn)閅軸正向，假設(shè)在一個(gè)500×500×500的空間內(nèi)，未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布。以N1節(jié)點(diǎn)為例，實(shí)際坐標(biāo)為(375，175，81)（z坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)深度），在不加噪聲和干擾的情況下，測得N1到S、i、j節(jié)點(diǎn)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(gè)不同的y坐標(biāo)(±175.314)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)關(guān)于XSZ平面對(duì)稱；分別計(jì)算點(diǎn)（x，y1，z）和(x，y2，z)與j點(diǎn)的距離d1、d2，與rnj相等的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離，可以求得參考節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

    本文提出的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法，以海面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)為參考，減少了海底固定浮標(biāo)和AUV，降低了設(shè)備代價(jià)。另外，未知節(jié)點(diǎn)之間不需要通信，降低了能量的消耗。匯聚節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力較強(qiáng)，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(shí)延和噪聲的影響。
    算法改進(jìn)，由于海面可部署多個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)，S節(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，規(guī)定一個(gè)i節(jié)點(diǎn)，S與i連線作為X軸。其余浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)分布在X軸兩側(cè)。在浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)中任選兩個(gè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)S構(gòu)成一個(gè)定位算法的參考坐標(biāo)組，多次執(zhí)行后得到多個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的相對(duì)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(diǎn)定位的精度。
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