第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）[1]技术是一种在二十一世纪飞速发展的新型网络技术，高度融合了计算机、通信等当前各种热门网络技术，确定节点的位置是无线传感器网络对监测区域相关信息进行感知、采集和处理所面临的首要问题，直接影响其在实际中的应用。 无线传感器网络灵活，成本低廉，已在许多领域得到广泛应用，发展应用前景广阔。在国防科技的应用领域，得益于无线传感器的微型化、高稳定性以及成本的低廉，通过多种大规模部署模式，部署在无人监控区域跟热能战场方面，收集战损信息，完成侦查监控等军事任务，应对严酷的国际军事环境，为打赢信息化战争提供前提情报，建设信息化军队，走向世界。在社会生产方面，由于全球气候环境的变化，地震、海啸以及各种复杂的地域环境等，科学家需要实时监测温度、湿度等数据，通过在山坡，大桥，高压变电站，煤矿巷道等结构中布置相应的传感器节点，可以有效监测山地土壤质量，桥梁倾角，区域电压强度和煤矿瓦斯等参数浓度。做出提前预警。在农业领域，利用温度、湿度等实时传感器等
，实现足不出户了解生产情况，发展智慧农业。
在民众医疗方面，利用可穿戴便携式传感器，实时采集人体温、心跳频率、测量血压、血糖等数据，对人员的身体状态做系统分析，通过大数据分析，及时反馈信息，视重大疾病做出预警处置，以及病人的恢复情况及时处理。对于环境保护方面，部署无线传感器网络监测沙漠化程度、河流流水面积等数据，统一调配自然人力资源，实时的数据信息对保障自然环境的可持续发展，建设绿青山做出巨大的贡献。无线传感器网络体系结构如图1-1所示。
图1-1 无线传感器网络体系结构
在火灾检测方面，通过检测烟雾浓度以及矿井的瓦斯浓度，可以提前对灾害的发生作出反馈。另外，对兴建的大型建筑，特种桥梁，高速铁路等，对运行状况特别需要留意的行业，无线传感器网络扮演的全天候“质检员”的角足以满足实际的需要，在当今广泛争夺的太空领域，在太空部署的无线传感器网络，及时反馈的卫星设备的运营状态即为方便的。利用无线传感器进行目标定位的技术是推动WSN飞速发展的基础，无线传感器网络作为当今受到广泛应用的新型技术，人工智能，物联网等方面，提前查明目标的位置，为下一步的服务做准备。因此对无线传感器网络发展的要求飞速发展，如雨后春笋一般，多种技术争奇斗艳，百家争鸣。利用传感器采集的定位数据的转化存储，支撑着人类足不出户，走遍天下的美好愿望。 随着人工成本的不断上升，生产领域对提高设备自动化水平的需求日益迫切，节点之间通过无线的方式进行通信[2]。当下成功广泛商用的全球定位技术有美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、中国的北斗全球定位系统等，因为建设全球定位系统的投入成本跟技术积累门槛极高。利用卫星组网，地面引导处理，为地面用户提供精准的定位服务。由于采用卫星微波通信，地星距离遥远、地球电离层干扰等极端因素，城市地面障碍物遮挡、森林冰原沙漠海洋区域广泛、卫星无法深入，极大的限制了定
位的精度跟同步时间。降低用户体验，限制技术的开发。遍历世界各国，有充足资金跟科研精力投入的国家更上凤毛麟角，但是尽管前期的投入巨大，但是后期的收益是非常可观的。在军事争夺、民用、商用等领域之中，如果无法得知目标所在的位置，一切的后续任务就是无水之萍。为了补充全球定位的精度缺陷，投入了巨大的精力，对于区域定位来说，物美价廉性能可靠的无线传感器网络进入科学研究团队的视线，设备的微型化，组网的灵活性，作为全球卫星定位系统补充手段。
对于WSN的主流科研项目来说，目标定位技术是一项关键的基础技术，传感器对于二维空间，或者说部署在三维立体空间中，根据具体的操作环境，定位目标的不同种类等，分类方式也是千差万别，因为大量的科学项目，要求目标位置信息实时掌握，否则根本无法开展。而且因为目标节点有一部分处于移动状态，这更加给定位系统的实时跟踪带来技术难度。为了应对挑战，更好的服务用户，对定位精度、定位算法、位置坐标计算等多个领域，增加负责通信环境下的设备可靠性、降低目标定位时延、技术难度，进而推广应用，还有大量的研究工作需要不断进行。室外目标定位获取目标的信息，选定合适的定位系统，对于生产生活的影响已经成为不可或缺的一部分。加大对无线传感器定位的研究投入，抢占专利技术制高点，实现高端技术领域的国产化迫在眉睫。
1.2 国内外研究现状
无线传感器网络技术和下游系统产业的演变进程加快，已经成为国民经济的基础和战略支柱产业之一，是信息化和工业化深度整合的源泉。推动现代工业经济转型升级，战略性新兴产业发展，加快发展，促进国防科技跨国发展，保障和提高人民生活水平。国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，把传感器产业作为“推动智能制造关键技术装备迈上新台阶”、“超前布局战略性产业，培育未来发展新优势”等工作的重要内容；工信部印发的《智能传感器产业三年行动指南（2017-2019）》指出，智能传感器市场应用正呈现爆发式增长态势，已成为决定未来信息技术产业发展的核心与基础之一，已成为发达国家和跨国企业布局的战略高地。
在上海举办的首届国际传感器网络标准化大会跟郑州举办世界首届传感器大会，共同探究制定无线传感器网络国际标准化标准，塑造全球传感器产业的“中国”符号。
国内对其改进的主要研究工作有：哈尔滨工业大学深圳研究生学院史翔禄等人针对WSN的现存问题，设计和优化WSN的目标定位系统[3]，应用经典正态分布模型，成功实现了建立接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）与节点距离关系的模型，并
在实际环境区域定位中设计和开发了实际操作定位系统。通过优化算法将误差精度降低到0.3m，南京航空航天大学计算机科学与技术研究生院徐彦等人，开展了WSN的目标定位技术的研究的相关课题活动[4]，通过研究在三维空间中的方法，创造的性的开发了在三维空间中一种基于共面度的WSN定位算法。显著提高定位算法精度的同时并提高定位覆盖率。北京交通大学电子信息工程学院的侯建军、朱明强等学者，在强背景噪声下，提出一种新型的WSN目标定位算法。对定位模型参量进行了向量化解析后，运用Gauss-Newton(G-N)迭代法结合Cubature卡尔曼滤波获得更为准确的重要性密度函数，以三阶精度保证传递后状态统计量的分布，使得模型可信度跟目标定位精度提高[5]。
江西师范大学计算机研究院的廖兴宇、汪伦杰等人提出了加超宽带（Ultra-Wideband，UWB）通信技术[6]，可以在多径环境的短距离、高速、稳定、传输无线数据，来以此改进到达时间差（TIme difference of Arrival，TDOA）算法中的精确测距、测角[7]，仿真实验结果显示，此技术的加入降低了整个算法的复杂度，提并且高了整个算法的精确度。太原理工大学的王艳辉等人开展了无线传感器网络的定位节点技术的研究，对各种节点类型开展了定位算法技术的研究，深入探索了移动锚节点辅助定位技术，以此提出了一种宽度优
先搜索（Breadth First Search，BFS）算法的移动路径规划算法，实验仿真显示，此方法对优化定位算法的硬件要求高、精确度低、累计误差叠加等问题有卓有成效，作者所取得研究成果理论价值有实际应用前景[8]。
信息时代以来，世界各国都在室内无线传感器网络定位领域进行了深入研究，尤其是美国在这一领域处于领先地位。利顿和休斯在这一领域进行了大量的研究工作。并完成了室内定位与跟踪领域的建立，最先的使用领域就是在于军事研究方面。美国洛克希德·马丁公司开发的“沉默的哨兵”系统，系统自己并不发射电子信号波，而是依靠无线信息传输来探测和定位目标。降低了使用低频雷达探测目标暴露位置的可能性，避免敌对方的反侦查行动，增加军事保密性，并具有很高的定位精度跟系统实验的可靠性。
印度的大诺伊达理工学院计算机科学与工程系的帕万·辛格·梅赫拉与工程与技术学院计算机工程系穆罕默德·纳杰穆德·多贾，在国际通信系统杂志2019.3版。提出了针对无线传感器网络的码字认证密钥交换的轻量级安全路由协议，此协议保护网络免受不同的攻击。提出了一种基于一次密码单向哈希和码字认证的高安全码字认证密钥交换协议。能够抵抗离线猜测攻击、重放攻击、Dos攻击、模拟攻击等多种攻击，并具有良好的正向保密性能，
适用于各种无线传感器网络应用。为WSN的安全应用开创了新的研究方向[9]。2015年在无线传感器学术期刊上，来自比利时根特大学信息技术学院、应用工程科学大学学院的Frank Vanheel，Jo Verhaevert等人，在研究实验中，使用真实的iMinds测试平台，将二维定位算法扩展到伪三维，而且额外的计算时间非常短。研究实验表明，该快速三维算法无异常值，避免了实验人工标定。此算法比具有均方误差代价函数的极大似然算法具有更低的位置误差。
