基于WSN的远程打击评估系统研究

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中图分类号UDCTN92739．硕士学位论文学校代码密级10533基于WSN的远程打击评估系统研究Researchonstrikingoflong-·distanceevaluationsystembasedonwirelesssensornetwork作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：贺鹏彬信息与通信工程无线通信信息科学与工程学院梁建武副教授中南大学二O一三年五月宙 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者虢纽乒嘿一年一月一日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签 中南大学硕士论文摘要基于WSN的远程打击评估系统研究摘要：在现代信息化作战中，远程火力精确打击是重要手段。在我军的远程火力体系中以惯性制导弹道导弹为主，属于“发射出去不用管”的武器。导弹命中情况和打击效果检验一般是通过侦察机和无人机飞临目标区域侦察完成，而这些手段并不可靠，成本高、风险大、周期长，不利于瞬息变幻的信息化战场。如果能缩短打击效果的信息反馈时间，指挥员就能更快的做出下一步决策，就能极大提高战斗效率，取得更大的战果。本文设计的系统，实际上就是一个无线传感器网络系统，并依托北斗卫星导航系统完成定位和信息传输，能够即时反馈目标毁伤数据。该系统能够通过随导弹抛撒到目标区域的无线传感器节点采集毁伤数据，并通过卫星转发至后台。通过分析数据得知导弹命中率和预期毁伤效果。这将使我军指挥员在瞬息万变的信息化战场上能及时准确掌握目标信息，快速做出反应，迅速做出判断并制定下一步决策，推动作战进程向利我方向发展。论文首先介绍了无线传感器网络和北斗卫星导航系统在军事领域的发展状况和应用情况，提出了系统应具备的功能和构建系统的关键技术。在此基础上，本文重点研究基于WSN和北斗卫星导航系统的远程火力打击评估系统的设计方案。并根据适应战场恶劣条件的需要，分别设计了结合北斗卫星和WSN的精确定位算法，具有较好容错性、可靠性的路由算法，以及WSN网内节点之间和节点与卫星之间的通信协议。图25幅，参考文献31篇。关键词：无线传感器网络，北斗卫星导航系统，定位算法，路由算法，通信协议分类号：TN927 中南大学硕士论文ABSTRACTResearchonstrikingoflong—distanceevaluationsystembasedonwirelesssensornetworkAbstract：Precisionstrikingoflong—distancefirepowerhasplayedavitalroleinthemodeminformationalwar．Theinertialguidedtrajectorymissile，whichbelongstotheSO—calledleaveitaloneafterlaunchingoutweapon，hasbeengreatlyappliedinthelong-distancefirepowersystem．MissilehittingsituationandstrikingeffecttestaregenerallyinvestigatedinthetargetareabythescoutingaeroplanesandUAVs．However,thesemeansarenotreliablefortheirhighcost，greatriskandlongcycle，andcannotbeconducivetofittherapidly-changinginformationalwarbattlefield．Iftheinformationfeedbacktimeofstrikingeffectisshortened，thecommandercouldmakenextdecisionsquicklywhichCanimprovemuchhighercombatefficiencyandobtaingreaterbattlingsuccess．Actually,thedesignedsysteminthisthesisisawirelesssensornetworksystem，whichisbasedonBeidounavigationsystemtoaccomplishlocationandinformationtransmission，andcouldfeedbacktargetdamagedatainstantly．Thesystemcancollectthedamagedatabythewirelesssensornodedispersedinthetargetareaalongwiththemissileandtransmittedittothebackground．Basedontheanalysisofdata，themissilehitrateandexpecteddamageeffectcanbeacquired．Inthisway,ourmilitarycommandersCangraspaccuratetargetinformationswithoutdelay,makeresponses，judgmentsandnextdecisionsquicklyonthebattlefieldwithinstantaneouschanges，whichcouldpromoteWarsituationdevelopingwithamorefavorabledirection．ThedevelopmentandapplicationsituationsofwirelesssensornetworkandBeidousatellitenavigationsysteminmilitaryfieldareintroducedinthisthesisfirstly,andthekeytechnologiesofnewconstructionandfunctionsystemhavebeenputforward．Basedonpreviewstudies，thedesignschemeoflong—distancefirehitwhichisbuiltontheBeidounavigationsystemandWSNisinvestigatedemphatically．Throughtheneedforadaptingtoserioussituationonthebattlefield，theprecisepositioningalgorithmcombingwithBeidounavigationsystemandWSN，thereliableroutingalgorithmwithaguaranteedqualityofII 中南大学硕士论文ABSTRACTservice(Qos)aredesignedrespectively,aswellasthecommunicationprotocolbetweentwosides，thenodesandnodes，thenodesandthesatelliteinsidetheWSNnetworks．Basedonthis，thisthesishascompletedtheoveralldesignofthesystem，andsimulatedthecorrespondingfunctionmodules．25figures，31references．Keywords：WirelessSensorNetwork(WSN)，BeidouSatelliteNavigationSystem，positioningalgorithm，routingalgorithm，communicationalprotocolClassification：TN927III 中南大学硕士论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．工工目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．工V1．．绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1课题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2国内外研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21．3论文的主要工作及研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31．4论文内容与结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42．远程打击评估系统的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．1系统总体分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52．2路由协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．62．2．1可靠路由协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．62．2．2基于蚁群算法的多约束Qos路由协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．102．3定位技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．3．1卫星定位技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．3．2节点定位技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．4通信协议和介质访问协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．202．4．1北斗长报文通信协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．202．4．2介质访问控制协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯232．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．远程打击评估系统设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．1系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．263．2系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．263．3系统功能及工作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．3．1系统功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．263．3．2系统工作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．273．4网络结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．283．4．1拓扑结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．283．4．2网络协议栈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯283．5节点设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．5．1主节点设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．30IV 中南大学硕士论文目录3．5．2子节点设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l3．6算法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．323．6．1路由算法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．323．6．2节点定位算法分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯343．7后方数据处理平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．353．8本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．354．系统仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯364．1路由算法仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．364．2ADLA定位算法仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．2．1定位误差与锚节点密度之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．394．2．2定位误差与锚节点覆盖半径之间的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．2．3定位算法的通信开销⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．414．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425．总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．435．1总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．435．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．44参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45攻读硕士学位期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯．48致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．49V 硕士学位论文1绪论1绪论1．1课题背景及意义无线传感器网络⋯(WirelessSensorNetwork)是由大范围、大规模部署的节点组成。这些传感器节点不仅具有感知和采集能力，还具有计算能力和无线通信能力。无线传感器网络技术是综合了通信、分布式信息处理、嵌入式计算和传感器等方面的新型网络技术，网络中的每个节点能够独立或协调地进行监测、感知和采集所部署区域内的各种环境信息或被监测目标的信息，并将采集和处理后的信息通过无线通信方式传送到后台的用户。信息技术的不断发展推动着新的军事技术变革。近20年的几场现代局部战争表明，现代信息化战争要求整个武器作战系统“看得清楚、反应快速、打得精准”，谁取得制信息权，在战场信息的获取、处理和传输上占据绝对优势，谁就能掌握战场的主动权。无线传感器网络凭借独特的性能，能够适应各种恶劣的战场环境，并能实时采集和传输战场信息数据，给后方指挥提供决策依据。比如通过飞机、炮弹、导弹等远程作战武器载体将传感器节点抛撒在目标战场上，这些节点可以组成网络从而对战场中化学武器的使用情况、敌方机械化装备和士兵的运动情况进行实时监测和上报。北斗卫星导航系统【2J，是我国自主开发，拥有独立知识产权并独立运行的全球卫星导航系统。从2007年至今，已经发射了15颗卫星，北斗导航系统已由一代系统发展到了第二代系统，具备覆盖亚太地区的无源定位、导航和精密授时以及短报文通讯服务能力，定位精度能达到10米，预计在2020年可覆盖全球，各项性能指标均优于美国、欧洲和俄罗斯的三大卫星定位系统，有很大的军事应用前景。战场火力打击效果评估是对敌方攻击目标实施火力打击后的科学评价，目标是否已摧毁，是否需要火力补充打击，是指挥员制定下一阶段作战行动决策的重要依据。当前，我军远程火力打击目标毁伤效果评估主要是通过无人机、侦察卫星飞临目标区域拍照然后通过判图得出结论，但这些手段存在很多不足和制约。一是周期长，要等无人机和卫星飞临上空时才能拍照，而且还要经过后期判图，也许在侦察结果还未取得的时候，敌方有充足的时间进行重新部署和伪装，战机就已经错过了；二是误差大，受战场火光烟雾以及恶劣天气的影响，图像并不能直观反映出实际情况，而且判图也不一定准确；三是可靠性不高，特别是无人机飞临敌方上空很容易被击落，而且在恶劣气候和环境中根本无法拍得有效图像资料。所以这些手段已经很难适用于瞬息变幻的信息化战场，无法取得实时的，全 硕士学位论文1绪论面的情报信息。在我军的远程火力体系中以惯性制导弹道导弹为主，没有卫星制导也没有其它辅助手段，属于“发射出去不用管”的武器，实际命中精度和打击效果检验只能通过小型无人机侦察拍照，并通过后期图片判读。这种手段并不可靠，周期也很长。如果能缩短打击效果的信息反馈时间，就能极大提高战斗效率，取得更大的战果。于是设想将无线传感器节点置入弹头，由导弹携带并抛撒到目标区域，各个节点采集光、热、气压、声音、生命迹象、无线电信息、地理位置信息等数据通过卫星传送回后台，通过分析数据便可得知该导弹是否命中了目标，是否达到了预期毁伤效果。这将使我军指挥员在瞬息万变的信息化战场上能及时准确掌握目标信息，快速做出反应，迅速做出判断并制定下一步决策，推动作战进程向利我方向发展。这种信息化手段将是我军在未来战场“知己知彼”、“出其不意”的致胜保障。1．2国内外研究进展目前西方国家(主要是美国)在WSN军事应用方面的主要研究【3】：①智能微尘(smartdust)智能微尘(smartdust)是一个具有微电脑功能的超微型传感器，它由微处理器、无线电收发装置和组网软件构成。把微尘抛撒在需要检测的区域，它们就能通过相互通信来完成定位和传递数据。未来，这些智能微尘还能悬浮在空中或者水中，根据任务收集、处理和传递信息。②目标定位网络嵌入式系统技术目标定位网络嵌入式系统技术(NetworkEmbedSystemTechnology)是美国国防部主导的一个项目，主要实现系统和信息处理融合。该项目是建立10一100万个计算节点的实时、可靠、分布式应用网络。在2003年，该项目已经设计了通过枪声能够准确定位敌方狙击手的系统，并且得到了成功验证。③灵巧传感器网络“灵巧传感器网络”(SSW：SmartSensorWeb)的基本思想是通过在战场上布置的大量无线传感器节点来收集战场信息以及中继转发，并能对这些数据进行筛选过滤，把认为重要的信息转发到各数据中心，这些中心便将大量的信息融合集成，生成一幅战场全景图，使作战人员对战场态势有个直观了解，能极大提高感知能力。④无人值守地面传感器群这是支持美军“更广阔视野”的三个项目之一。该项目的主要目标是为了满足第一线部队能够根据作战的实际需要，在所需部署传感器节点的地方能够独立2 硕士学位论文1绪论灵活的部署传感器节点。⑤战场环境侦察与监视系统该系统能够在战场环境中准确、详细、全面的采集到精确信息，比如一些特殊的环境因素信息，包括地质、温湿度、水文等等，可以为制定战斗行动方案提供更为准确的情报依据，是一个较高智能化的传感器网络系统。⑥传感器组网系统该系统能够对战术级到战略级的传感器信息进行管理，实质上就是一套实时数据库管理系统，而具体工作只需要一台便携机即可完成，通过卫星和其它基站，就可以实现协调来自水下、地面和空中甚至太空监测设备的数据信息。⑦防生化网络这个系统主要是通过部署到区域的传感器节点来感知空气中是否存在生化污染，并发出相应的警报。⑧网状传感器系统CEC该系统主要适用于海军和空军，它能感知原始的雷达数据，实现舰船编队或飞机集群间的雷达数据共享，使网络中的舰船或者飞机不仅可以通过自身的雷达感知数据，还能通过网内其它的舰船或飞机感知数据。⑨沙地直线(ALineintheSand)这个系统美军已经在2003年开发出来，主要是为了侦测坦克、火炮、车辆等高金属含量目标，它可以将电子绊网抛撒到战场的任何地方，通过传感器侦测运动着的或者静止状态的高金属含量的目标。(亘)C4ISRT系统无线传感器网络的特殊性能展现了以网络技术为核心的新军事技术的强大生命力和应用性，革命性的推动了新的作战思想的发展，即网络中心战。传感器网络将会成为C4ISRT(command，controlcommunication，computing，intelligence，surveillance，reconnaissanceandtargeting)系统不可或缺的一部分，该系统是在C41SR系统上的升级，它是一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统。我国在无线传感网络的研究起步较早，在1999年中科院便将其作为重要研究项目之一，目前国家自然科学基金、十二五规划等均将其列为重点研究发展项目，并设置了专项资助。现在研究的主要重点集中在国防军事、环境监测、交通管理、矿场安全、医疗卫生等方面，已经取得了不少的成果。1．3论文的主要工作及研究成果远程打击评估系统主要是通过战场区域的无线传感器网络节点完成数据采 硕士学位论文1绪论集和传输工作，然后通过卫星转发到后台处理数据。后方平台是一个与指挥中心对接的数据处理系统，非常庞大复杂，本文不做深入探讨，所以本文的研究重点在于负责前方数据采集和传输系统任务的无线传感器网络系统和北斗卫星导航系统。本系统主要依托北斗卫星导航系统完成定位和信息传输，首先从北斗的应用开发方面入手，主要是节点自身定位和通信协议等问题；其次考虑无线传感器节点分布的可能性和信号接收的局限性，并据此选择符合网络特点的路由算法和定位算法，以及节点之间的介质访问协议，确保无线组网的连通性和数据传输的可靠性、稳定性、准确性；再次在这些理论基础上对系统进行完整设计；最后是对子节点网络的路由算法和定位算法进行仿真实验。研究的主要内容如下：1．基于北斗卫星导航系统的定位和长报文通信协议；2．节点之间的路由算法；3．子节点的辅助定位算法；4．系统的组成、网络拓扑结构、功能以及工作流程；5．子节点的数据采集、定位、组网和数据转发功能，主节点的组网、数据存储、处理以及转发功能等，节点的启动和自毁功能；6．子节点网络的路由算法和定位算法的仿真实验。1．4论文内容与结构本论文结构安排如下：第一章：绪论第二章：远程打击评估系统的机理第三章：远程打击评估系统设计方案第四章：路由算法和定位算法的仿真实验第五章：总结与展望4 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理2．1系统总体分析本文设计的远程打击评估系统是基于无线传感器网络技术和北斗卫星定位、长报文通信功能的，传感器节点将采集到的数据和定位信息通过无线网络传送到汇聚节点，汇聚节点通过北斗卫星将数据转发到后方平台，后方平台通过软件分析来实现毁伤评估功能。本文主要研究集中在负责前方战区数据采集的无线传感器网络的节点定位、路由选择、网络通信以及数据的传输等方面。传感器节点随导弹抛撒时，受弹头解爆受力不均或者自然风的影响，到达目标区域后，虽然主节点悬浮在抛撒圆周中心的上空，但是子节点群会随机散落，不一定会像子母弹一样成圆形分布。子节点本身小巧的物理设计就决定了它只能具备极为有限的通信能力，只有在考虑它的通信能力范围内建立合适的路由机制才能保证网络内部的数据能够成功传输。在现实作战应用中，应该考虑如下几种可能性情况：第一种情况，最理想分布情况：最理想的情况就是无论子节点在抛撒区域呈什么样的分布状态，每个子节点不仅能接收到卫星信号能够完成自身定位，而且还能直接与主节点连接通信，主节点与子节点成星状网络拓扑结构。第二种情况，次理想分布情况：所有子节点能够通过卫星完成自身定位，但是只有部分节点能够与主节点通信，不能连接主节点的子节点通过这些节点来转发数据。第三种情况，不理想分布情况：只有部分节点能够通过卫星完成自身定位，而且也只有部分节点能与主节点通信。己完成定位的节点充当锚节点，其它节点通过锚节点完成定位；能连接主节点的子节点充当汇聚节点，其它节点通过这些汇聚节点向主节点转发数据，或者通过离这些汇聚节点最近的节点转发数据。作为军事用途，对本系统的要求是必须确保在任何情况和自然条件下都能顺利完成任务，能够准确提供火力覆盖的区域坐标和毁伤具体情况。由于战场的情况十分复杂，特别是受火力打击后的地理环境、电磁环境会非常恶劣，所以必须从第三种不理想的情况去考虑。为达到数据采集和传输的可靠性，以及满足后台数据接收的完整性目标，必须重点考虑负责前线任务的无线传感器网络的路由协议，节点的主动定位和被动定位方式，主节点和卫星之间的通信协议以及节点之间的介质访问协议。 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理2．2路由协议路由协议主要是帮助数据在网络中的传输寻找路径，确保数据从源节点通过网络发送到目标节点，一方面为两个节点之间寻找优化路径，另一方面将数据包沿着该路径正确转发。不同于传统网络的路由协议，无线传感器网络的路由协议具有能量优先、基于局部拓扑信息、以数据为中心、应用相关等特点。根据这些特点，具体应用设计路由机制时，要满足能量高效、可扩展性、鲁棒性、快速收敛性等要求，所以不同应用对传感器网络各种特性的敏感性不同，将路由协议分为四种类型，具体如下：(1)能量感知路由协议。无线传感器网络的生存主要依靠能量维持，因为组成网络的节点主要依靠电池供能，在有限的能量情况下，如何保持低能耗来维持网络的生命是网络设计的重点，所以该协议立足于网络中数据传输所需的能量消耗，考虑最优的路径来保证数据传输的低耗能以及提高网络的最长生存期。(2)基于查询的路由协议。在各种监测应用中，比如环境监测、战场侦察等，上级需要不断查询下级网络的数据，于是通过汇聚节点发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，主要是查询节点和任务节点之间的指令和数据传输产生通信流量，同时任务节点所采集的数据信息在传输途中通常会进行融合，从而通过减少通信流量来达到节省能量的目的。(3)地理位置路由协议。在目标监控和跟踪的应用中，往往要利用距离目标最近的节点来得到有关目标最精确的信息，所以通常要知道目的节点的地理位置，而这个地理位置信息便作为了路由选择的依据，节省了路由维护所导致的能量开销。(4)可靠的路由协议。在国防军事、污染监测、安全监控等应用方面，对数据的实时性和可靠性有很高的要求，所以对网络的通信服务质量有很高的要求，而无线传感器网络因为动态性强，本身就难以保证通信链路的稳定性，受环境和节点寿命的影响，通信信道质量无法保证，甚至拓扑结构会频繁变化，要实现有保证的服务质量，就必须设计可靠的路由协议。2．2．1可靠路由协议整个评估系统主要是依靠抛撒到目标区域的传感器子节点收集该地域数据，汇聚到主节点后通过卫星转发至后方的。只要有更多的子节点能够成功组网并传输数据，那么后方收到的数据会更多更详尽，评估系统对远程打击的情况(包括打击区域坐标是否覆盖目标，目标毁伤情况等)的分析会更准确，给指挥员制定下一步决策更能提供更准确的参考。根据任务需求，对系统网络数据传输的可靠 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理性提出了比较高的要求，所以本网络系统需要可靠路由协议。1．基于不相交路径的多路径路由机制基于不相交路径的多路径路由机制【4】基本思想是：首先在数据源节点和汇聚节点之间建立主路径，另外再建立多条其它的路径作为备用；在通过主路径传输数据的同时，也利用这些备用路径低速传送数据，以此来维护备用路径的有效性；当主路径失效时，即可从这些备用路径中选择一条次优路径作为新的主路径。多路径的建立方法有两种，分为不相交多路径和缠绕多路径两种算法。不相交多路径是指，从源节点到目的节点之间的任意两条路径都不相交，即没有一个相同的节点。建立过程如下：汇聚节点首先按照节点最优法则通过主路径增强消息建立主路径；然后给次优节点A发送次优路径增强消息，次优节点A按最优法则选择自己的最优节点B，把次优路径增强信息传递下去，以此类推。如果节点B在主路径上，则B发回否定消息给A，A向次优节点C传递次优路径增强信息；如果B不在主路径上，则B继续传递次优路径增强信息，直到构造一条次优路径，按照相同方式，可继续构造下一条次优路径。显而易见，在不相交多路径中，备用路径可能比主路径长得多，而且部分离主节点很近的子节点可能会因为过多的数据交换提前死亡，如果节点死亡频繁，会引起路径的不断变化，从而导致更多的通信开销和能量消耗，所以需要能克服主路径上单个节点失败的缠绕多路径。要确保单个节点失效后不影响网络性能，采用的备用路径必须与主路径相交。理想的缠绕多路径是由一组缠绕路径形成的，每一个主路径上的节点都对应一条缠绕路径，在网络路径不包括该节点时，形成的从源节点到目的节点的优化备用路径，这些缠绕路径构成从源节点到目的节点的缠绕多路径。一种局部缠绕多路径生成算法如下：在建立主路径后，主路径上的每一个节点(除了源端和靠近源端的节点)都要发送备用路径增强消息给自己的次优节点(记为A)，次优节点A再寻找其最优节点(记为B)传播该备用路径增强消息。如果节点B不在主路径上，将继续向自己的最优节点传播，直到与主路径相交形成一条新的备用路径。如图2-1 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理9⋯◇、?／／＼＼／，，、＼o一一<卜—《——◇—叫>呻⋯旬嚣：壤=豁点n【k+j)蜓妁、|、n(k·1)n(k-2)／龟(1(一3》澈＼o⋯一o／n{i．2)nfi．3)(神瑚想麴绕影辫豫瓤i》n(i·1)9⋯◇＼／／，／，＼＼／、＼o一一<卜—勺——Q—叫≥呻⋯叼嚣：聚节点n(k+1)域k》n(k·l尹＼＼n(k-2)／么【lc一)澈＼"CY／n《i·2)(b)玛溜缭绕多路羟图2—1缠绕多路径在上述两种多路径生成算法中，备用路径之间具有不同的优先级。当主路径失效时，次优路径将被激活成为新的主路径。2．ReInForM路由ReInForM【珥J(ReliableInformationForwardingusingMultiplepaths)路由从数据源节点开始，考虑可靠性需求、信道质量以及传感器节点到汇聚节点的跳数，来决定下一跳节点数目和相应的节点，以及需要的传输路径数目，从而实现满足可靠要求的数据传输。基本过程是：首先，根据传输的可靠性要求，数据源节点计算到汇聚节点需要的传输路径数目；然后，选择若干个邻居节点作为下一跳的转发节点，并给这些节点分配一定比例的路径数目；最后，源节点将分配的路径数装入数据报头发给邻居节点，邻居节点在接收到数据源节点的数据后，将自己视作数据源节点，重复上述数据源节点的选路过程。3．SPEED协议 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理SPEED协议[41在一定程度上能够实现端到端的传输速率保证、网络拥塞控制以及负载平衡机制，是一种非常有效的可靠式实时路由协议。它的设计目标是：一是不需要路由表，只保留邻居节点的信息；二是尽自己最大可能的提供满足实时信息传输要求的速度；三是在物理层不需要有额外的Oos机制或特定实时机制；四是依靠反向压力机制来避开网络拥塞，提供服务质量；五是网络繁忙时，利用不确定的前向并发路径来平衡负载；六是采用分布式的算法和类似反向压力的机制来减少洪泛控制信息和路由空洞。SPEED协议通过相邻节点之间交换传输延迟，来获得网络负载情况；然后节点利用传输速率信息和局部地理信息选择下一跳的节点；同时通过邻居反馈机制和反向压力路由变更机制以避开延迟太大的链路和路由空洞，保证网络传输畅通。其核心结构如下1)延迟估计机制在SPEED协议中，节点记录它与邻居节点之间的通信延迟来表示网络局部的通信负载，由此得到网络的负载情况来判断网络是否发生拥塞。具体过程是：发送节点在发送数据前先给数据分组加上时间戳；接收节点收到数据分组后开始计算到发出回复的时间间隔，并将时间间隔作为一个字段加入回复报文；发送节点收到这个回复后，计算收发时间差并减去接收节点的处理时间，这个时间就是一跳的通信延迟。2)SNGF算法该算法是基于速率要求的，即节点根据传输速率要求来选择下一跳。节点根据比较离目标区域的距离将邻居节点分为两类，即比自己更近的节点(候选转发节点集合FCS)和比自己更远的节点，节点计算其到候选集FCS每个节点的传输速率，该集合中的节点比较预定的传输率阈值和传输速率的大小，再分为大于速率阈值和小于速率阈值的邻居节点两类，节点在大于速率阈值的FCS集合中按一定的概率选择下一跳，速率越大，概率越高。3)邻居反馈策略(NFL)当SNGF路由算法中找不到满足传输速率要求的下一跳节点时便采取邻居反馈策略作为补偿。首先节点查看FCS集合的节点速率情况，若存在节点的传输差错率为零，表明有满足传输速率要求的节点，即全部转发，转发概率为l，若集合中所有节点的传输差错率大于零，则按照特定的公式计算转发概率；此时，转发比例控制器根据MAC层收集的差错率计算出转发概率，通过SNGF路由算法作出选路决定，如果数据满足传输速率阈值，则按SNGF算法选定的路由传输，如果数据不满足传输速率阈值，则由邻居反馈环机制计算转发概率后传输。4)反向压力路由变更机制 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理当网络中某局部区域发生事件时，数据量突然增多、传输负载突然加大，会导致节点无法满足传输速率要求，此时，节点会向上一跳节点使用反向压力信标消息报告拥塞和传输延迟，于是上一跳节点重新选择路由，以此来避免拥塞和路由空洞。2．2．2基于蚁群算法的多约束Qos路由协议本系统在组网阶段，当各节点互相搜索时，如果子节点能直接搜索到主节点，那么该节点直接与主节点连接，并向网内广播连接情况(把跳数附上报文标识)；如果某子节点不能直接与主节点连接，则连接附近跳数最小的节点。在理想状态下，无线传感器网络能够正常运行，网内每个子节点均可以连接主节点时，可采用SNCD算法。该算法中，每个节点直接和主节点通信，将信息直接转发给主节点。但在实际抛撒区域，节点的工作环境十分恶劣，主节点失效，部分子节点搜索不到卫星等情况会时有发生。为确保非理想状态下各节点依然能够完成定位、数据采集和可靠的通信传输，使整个网络系统最大的发挥作用，所以本系统需要能提供有保证的差别服务，同时能在全网范围内实现资源的充分有效利用，多约束QoS路由。1．蚁群优化算法蚁群算法来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为，它主要被用来在图中寻找优化路径，具有正反馈、分布式计算和富于建设性的贪婪启发式搜索的特点，主要用于求解组合优化问题。基于蚁群算法寻找最优化路径的算法有很多，本文就不一一介绍了，但是基本的蚁群算法还存在一些不足：一是由于搜索的盲目性会导致蚁群算法初始收敛慢；二是对于找到的每个候选解，都要依据其进行信息素的局部更新，计算信息素的增量将会导致错误的引导信息，而实际上候选解并非都是合理的解，从而造成大量的无效搜索【5】【6|。本系统的无线传感器网络与其它的网络有一个最大的不同，就是其中的节点主要是依靠卫星定位的。一般情况下，网内的主节点是一定能够卫星定位的，其它部分子节点也是能够通过卫星获取地理位置信息的，在定位的同时也获取了蚁群算法的方向因子。2．一种新型的WSN蚁群多约束QoS路由优化算法该算法基于北斗定位系统，由北斗为无线传感器网络节点定位并提供方向因子，是一种蚁群多约束QoS路由优化算法【7J。首先对网络的所有节点进行编号1，2，⋯，rl。所考虑的目标函数为y(p)=羔wf／：(p)，其中，自变量p表示某次搜索中经过的路径，，表示诸如带宽、 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理Y(P)=wflelay(p)+比cost(p)+w／oss(p)+wbbandwidth(p)(2一1)p户誉一小砒喊；浯2，10，其它y(p‘)=羔w，(p‘)，k=l，2，．．∥，P。为本次循环中第k只蚂蚁从源节点到目的节点所f(P。)≤ai，i=1，2，．．．，m但仍到达了目的节点，那么令其y(p‘)为∞，k=l，2，．．．，n。6)解出m，in{y(p。))，如果nf，ln{y(p。))A，让方向因子起主导作用，但是同时A会随着算法的执行逐渐增大，不断积累信息素，在算法执行后期，信息素浓度起主导作用，凭借前期的信息素积累来进行搜索，即A>B，这样方向因子对路由优化就能发挥最大作用，极大提高收敛速度，从而减少信息包发送数，减小寻找路由导致的通信开销和能量消耗。2．3定位技术无线传感器网络的最大特点在于能够感知网内任何位置发生的事件【8】，所以传感器节点必须能够通过定位明确自身位置，才能实现对目标的定位和追踪，才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”【9]。本系统在运行初期时，主节点和子节点到达任务位置完成自检后，开始搜索卫星，通过卫星定位具体坐标位置。但是，战场的恶劣环境或者是节点被抛撒的区域的地理位置等因素很容易导致子节点无法实现卫星定位，因此必须采用一定的机制与算法实现WSN的自身定位，这时，子节点就必须与主节点和周围的子节点通信，通过其它已完成定位的节点完成自身定位，并实现时间同步。2．3．1卫星定位技术1．北斗卫星导航系统简介根据规划，“北斗”卫星导航定位系统共有35颗卫星，GPS、GLONASS只有24颗卫星，欧洲的GALILEO只有27颗卫星，卫星数具全球四大系统之首。该系统采用“东方红”一3号卫星平台，由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，其中30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里，可以提供开放服务和授权服务。从2000年至今，除去3颗试验卫星，“北斗”卫星导航定位系统已经发射了15颗卫星，已经从一代系统发展到了二代系统。在“北斗一号”时期，北斗系统只能提供双星有源定位，虽然定位快，但由于是有源定位，不利于军事用途。而“北斗二号”能提供三星无源定位服务，且覆盖了亚太地区，能为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度可达到厘米级；并且具备特有的短报文通信功能，一次可传送多达120个汉字的信息；此外还能精密授时，精度达20纳秒。12 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理2．三星无源定位无源定位实质上就是在用户自主定位的过程中只接收电磁波而不主动发射，相对于有源定位具有隐蔽接收的优点，更符合军事用途。北斗无源定位就是用户利用北斗信号进行自主定位，基本原理与GPS定位原理相似，本文不再赘述。2．3．2节点定位技术1．基本概念和算法分类在传感器网络中，根据节点的定位情况，把传感器节点分为信标节点和未知节点，信标节点可以通过卫星定位或者人为预先设置来取得精确位置坐标，而其它节点就是未知节点，它们通过参考信标节点的位置信息来确定自身位置。节点定位时，未知节点取得与邻近信标节点之间的距离，或是邻近的信标节点与未知节点之间的相对角度后，通常使用三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等方法实现定位。定位算法通常分为以下三类【4】：(1)基于距离的定位算法和距离无关的定位算法；(2)递增式的定位算法和并发式的定位算法；(3)基于信标节点的定位算法和无信标节点的定位算法。2．几种算法的比较(1)绝对定位与相对定位(absoluteversusrelative)绝对定位n们类似于物理定位，能够得到有如经纬度的标准坐标位置，能够保证网络命名的唯一性，不受节点移动制约，应用领域更加广泛。相对定位顾名思义主要是以参考节点来建立网络的相对坐标系统，而在基于地理位置的路由中，在相对定位的基础上也能实现部分路由协议，而且定位不需要锚节点。典型的相对定位算法和系统有SPA(self—positioningalgorithm)，LPS(10calpositioningsystem)，SpotON，而MDS—MAP定位算法可以根据网络配置的不同分别实现两种定位。@SPA(self—positioningalgorithm)相对定位算法SPAn门是瑞士洛桑联邦工业大学(EPFL)的SrdjanCapkun等人提出的，它在网络中密度最大处选择一组节点，以此作为参考点来建立网络全局坐标系统，并根据各节点连通度的情况选择最大的一个节点作为坐标系统的原点。首先各节点之间互相测距，并根据结果分别建立局部坐标系统，然后各节点间交换信息，以参考点为基准通过旋转或平移坐标来建立全局坐标系统，在这个过程中，所有的节点都要参与坐标的建立和变换计算，通信开销与节点数量几乎成指数比。针对SPA的缺点，美国仁斯利尔理工学院(RensselaerPolytechnicInstitute)的 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理Rajagopal，Iyengar等人提出了一种基于聚类(clustering—based)的定位算法：每个节点都带有一个随机定时器，网络部署完成后，各节点开始定时并与邻居节点比较，定时器最早到期的节点被选成主节点，并向网内邻居广播消息，收到该消息的节点终止定时器并成为从节点，这些节点形成一个域，然后使用类似SPA的方法建立各个域的局部坐标系统(主节点为原点)，从小ID主节点的局部坐标系统开始参考，通过相邻域的坐标转换，逐步建立全局坐标系统。在该算法中，通信量大小是与域的数量成正比的，所以通信开销与节点数量呈线性比，但是当参考点移动或失效时，整个网络就必须重新定位，会导致更多的通信开销和能量消耗。(2)集中式计算与分布式计算(centralizedcomputationversusdistributedcomputation)集中式计算【l2】是指将需要的各种信息集中传送到某个中心节点，并在中心节点进行节点定位计算，由于它站在全局的角度统筹规划，具有无限制计算量和存储量，位置估算相对精确，但是离中心节点位置较近的节点通信开销比较大，而电能消耗比较快，一旦能量耗尽死亡就会导致局部网络甚至整个网络与中心节点信息交流的中断，就会无法实现实时定位等。集中式定位算法包括凸规划(convexoptimization)，MDS-MAP等．N-hopMultilaterationPrimitive定位算法可以根据应用需求采用两种不同的计算模式。而分布式计算不需要依赖中心节点，只要通过节点问的信息交换和协调，节点就能自行定位计算。②凸规划定位算法凸规划是一种集中式定位算法【13】【141，加州大学伯克利分校的Doherty等人将整个网络模型化为一个凸集，以节点之间的通信连接作为几何约束，从而将节点定位问题转化为凸约束优化问题，然后使用半定规划和线性规划方法得到一个全局优化的解决方案，确定节点位置。如图2-2所示，根据未知节点与锚节点之间的通信连接和节点无线射程，计算出未知节点可能存在的区域(图中阴影部分)，并得到相应矩形区域，然后以矩形的质心作为未知节点的位置。实验显示，在锚节点比例为10％的条件下，定位精度可达到100％，但是为了避免节点位置估算向网络中心偏移，锚节点必须部署在网络边缘。14 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理O锚节点●未知节点图2—2凸规划算法不意@APS(adhocpositioningsystem)美国路特葛斯大学(RutgersUniversity)的Dragos，Niculescu等人利用距离矢量路由(distancevectorrouting)和GPS定位的原理提出了一系列分布式定位算法，合称为APSn51n6¨17I。它包括6种定位算法：DV-Hop，DV-distance，Euclidean，DV—coordinate，DV—Bearing和DV—Radial。DV-Hop定位算法n5¨163DV-Hop算法分三个阶段完成：第一阶段，网络中所有节点通过采用典型的距离矢量交换协议，来获得自身距锚节点的跳数(distanceinhops)；第二阶段，锚节点根据获得的其它锚节点位置和相隔跳距来计算网络平均每跳距离，然后将其作为一个校正值(correction)采用可控洪泛法向网络广播，每个节点只接受获得的第1个校正值，而不接受后来者，所以可以保证绝大多数节点能就近接收锚节点校正值；第3阶段，当未知节点获得与3个或更多锚节点的距离时，则执行三边测量定位。如图2—3所示，已知三个锚节点厶、￡，、厶之间的距离和跳数，￡：计算得到校正值(即平均每跳距离)(40+75)／(2+5)=16．42。在上例中，假设A从厶获得校正值，则它与3个锚节点之间的距离分别为厶3x16．42，厶2x16．42，厶3x16．42，然后使用三边测量法确定节点A的位置。实验显示在网络平均连通度为10，锚节点比例为10％的情况下，DV-Hop算法各向同性网络中定位精度约为33％，但是仅适合各向同性的密集网络。DV-distance定位算法n5¨161DV—distance算法基本类似于DV—Hop，不同的是相邻节点使用RSSI测量距离，然后采用类似的方法使用三边测量定位。DV-distance算法也仅适用于各向同性的密集网络。实验显示，在网络平均连通度为9，锚节点比例为10％，测距误差小于10％的情况下，该算法的定位精度为20％，定位误差与测距误差成正比。Euclidean定位算法口5¨163 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理Euclidean定位算法是一种基于节点拥有RSSI测距能力，能够计算与锚节点相隔两跳的未知节点位置的方法。如图2-4所示，己知未知节点B，C在锚节点L的无线射程内，节点A与B，C相邻，BC距离己知或通过RSSI测量获得，在四边形ABCL中，所有边长和一条对角线BC已知，根据三角形的性质可以计算出AL，即节点A到L的距离，所以只要未知节点获得与3个以上锚节点之间的距离就能完成定位。图2-3DV-hop定位算法示意图2_4Euclidean算法示意本文所设计的无线传感器网络系统是一个必须具备高容错性、可靠的、短周期生存的系统，子节点在完成数据传输任务后会逐渐自毁脱离网络系统，主节点则必须要等到最后一个节点消亡后才能自毁。为确保系统的正常工作，节点的电能消耗是个很重要的问题。受导弹的飞行误差影响，传感器网络节点被抛撒的区域有很大的随机性，如果节点无法进行自身定位，就向周围发送定位请求，已完成定位的节点收到请求后辅助该节点定位；如果收到请求的节点都是未完成定位的节点，则收到请求的节点不转发其它节点的请求，待完成定位后再辅助未定位的节点。SPA的相对定位算法中，为了满足每个节点建立和变换坐标，网络通信开销与节点数量几乎呈指数比，会导致过多的电能消耗，可能会对节点的后续任务产生不利影响；而基于聚类的定位算法比较适合大型的传感器网络，并不适合这种小型网络系统。网络系统运行时，是每个子节点将数据传给主节点，然后主节点通过卫星转发到后台，从这方面看可以采用集中式计算进行节点定位。集中式计算可以获得比较精确的定位，但是这就要求主节点承担大量的计算任务和通信开销，而且离主节点较近的点也会承担大量的通信转发任务，能量消耗很大可能会对节点的后续任务产生不利影响。目前的分布式定位算法主要是基于距离测量的，这个就需要硬件具备测距的功能，会增加不必要的硬件成本和重量、体积负担，也不适用于本系统。3．节点定位算法传感器节点随子母弹抛撒，完成数据采集任务后就会自毁，整个无线传感器网络系统是短周期生存的，只提供一次性使用，所以系统运行的可靠性是第一位的，必须尽可能的对更多的节点定位和交换数据。在节点定位方式中，首选是卫16 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理星定位，不仅迅速而且更加精确，但是必须满足节点能够接收到卫星信号。受复杂环境的影响，当子节点搜索不到卫星信号，无法进行卫星定位时，就只能通过周边能够联系的网内节点实施定位了。所以当子节点无法卫星定位时，便侦听主节点和其它节点的信号，通过这些节点来完成自身定位。由于节点是要随子母弹装弹的，体积一定要小。当到达目标区域后，在整个抛撒区域各节点可能会分布在不同的平面，有的节点会在地面，而有的节点会在地下或者建筑物内。由于地理位置或者遮挡物的影响，会导致部分节点无法接收到卫星信号，甚至接收不到其它节点的信号。如果某个节点接收不到卫星或者任何其它节点的信号，那么该节点会自毁，不参与组网。如果它能接收到其它节点的信号，那么它就通过这些节点完成定位和数据通信。在整个目标区域，只要知道主节点和大部分子节点的精确位置基本上就可以推算出子母弹所抛撒的区域(弹头解体后，子母弹携带传感器节点呈圆形抛撒)，所以对于部分需要网内节点辅助定位的子节点来说，定位精度要求并不高。为了节约带宽资源和电能，子节点的定位应该是按需求的，即只对需要定位的节点定位，而不需要对整个网络重新定位，定位方式应该是主动式和分布式相结合的。ADLA定位算法n踟节点根据定位需求主动发送定位请求报文，如果被普通节点收到，则有条件的向外转发，直到至少一个锚节点接收到该报文。定位请求报文里设置一个以跳数为计算单位的生命值，节点只转发生命值大于零的定位请求报文，可以缩小定报文扩散的范围和减少转发的数量，一旦有锚节点收到报文，便立即广播信标定位报文，当普通节点收到定位信标报文后，就会立刻取消所有的定位请求报文的转发，可以大大减少定位请求报文的发送量，防止报文冗余，而且锚节点之间还可以互相通信协调工作，共同完成定位信标的发送操作。4．主动式定位报文的交换定位请求报文的发送为了节约能耗，报文结构如下：黉黧鬣太跷毂Type下．rL图2-5定位请求报文结构类型字段(TYPE)是该数据报文的类型标识，与其它报文相区别；最大跳数(TTL)字段则标识定位请求报文最大转发跳数。节点以广播的方式在网络中有限扩散定位请求报文，所有接到报文的节点首 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理先首先检查该报文，如果允许转发的跳数为0，则丢弃该报文；如果跳数不为0，则检查在最近的时间间隔里，是否有其它定位请求报文转发过来，若有也丢弃该报文。当有多个节点需要定位时，锚节点只要能成功接收一个节点的请求报文就可以了，这种方法可以减少过多冗余定位请求包的发送，节约网络资源和能量。如果跳数不为0，而且最近也没有收到其它定位请求报文，则将报文中TTL字段的数值减“1”后进行转发。在网络布置初期，如果卫星信号受到干扰，可能需要辅助定位的节点很多，如果每个节点都发出一个定位请求报文，不仅浪费通信资源也浪费能量，本算法主要是采取主动与被动相结合的方式，在网络布置初期采用随机延迟的方法发送定位请求报文，由已完成定位的节点传染式的带动其它节点完成定位。具体过程如下：节点首先卫星定位，T1时间内完成定位后，组网并附上锚节点标识和坐标在网络中广播，告知其它节点已有定位信息。若节点自身无法定位则监听广播，T2时间内收到信标节点报文则不发送定位请求报文；若没有收到信标节点报文，则主动广播定位请求报文，己定位节点收到报文后辅助请求节点完成定位。如果节点在未完成定位时收到了其它节点的定位请求报文，则该节点不转发请求报文，待自身完成定位后再辅助该节点完成定位。定位信标报文的发送通过设置生命期可以确保定位请求报文至少能够到达一个锚节点，当报文到达任何一个锚节点后，该锚节点首先立刻发送定位信标报文，然后告知其它的锚节点进入定位状态，并互相协调定位信标的发送时刻，以防止不同锚节点间定位信标的碰撞。出于节约能量和减少带宽消耗的目的，定位信标报文结构很短也很简单，结构如下：图2-6定位信标报文结构定位信标报文中只设定了3个字段：(1)Type字段：标识该数据报文的是定位信标；(2)Coordinate字段：标识锚节点的坐标；(3)R字段：标识定位信号的覆盖半径。待定位节点获得多个锚节点的坐标和各锚节点信标信号的覆盖半径之后就可以估计节点坐标了。 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理5．节点坐标的估计节点坐标的估计采用类似凸规划的计算方式，将节点之间的通信关系转化为几何模型。方法如下：当节点收到定位信标报文时，就得到了发送报文锚节点的坐标以及它的覆盖半径，于是将锚节点的坐标设为圆心，以其覆盖半径画圆，就可以得到锚节点的圆形覆盖区域，据此可以画出很多的圆，而这些圆的重叠部分就是待定位节点所处的区域，该区域的质心标定为待定位节点的估计位置。从图形中可以看到，节点能联系的锚节点越多，所得到的圆就会越多，重叠区域就会越小，从而得到的节点位置坐标就会更精确，坐标估计的可信度就会越高。下面举例说明如何求取节点坐标例：当某节点收到了3个锚节点的定位信标报文时，如何求得该节点坐标?如图2-7所示：⋯Lup--·Ll》o辫鞋。锈节囊：■褥踅能箭焱图2．7ADLA算法从图上可以看出，3个圆相交的重叠区域就是待定位节点所处的区域，然后用凸规划的方法将该区域转化成矩形区域，求取矩形的质心便得到了该节点的估计坐标，也就是只要确定图中3个圆的4条切线，这个矩形就被确定了。将锚节点通信覆盖的范围假设为一个圆，记为Df，其圆心为(五，Yi)，则重叠区域么=nq。在各个圆上，分别平行、垂直做上下切线和左右切线，这4条曲线围成的区域就是重叠区域的近似矩形。各切线求解方程如下：上切线￡。的表达式为：Yk--rrfin{yo,+R}下切线厶的表达式为：％=ma)({％一心}左切线厶的表达式为：吃=ma)【{屯一心}右切线t的表达式为：■=niln{％+凡}于是可得待定节点的坐标，即质心为(半，半)o虽然这种矩形估19 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理计方法得到的矩形区域比集中式凸规划的方法得到的要大，会导致误差稍大，但是对于本系统来说是可以接受的，而且节点只需要暂存4条切线的数据，每当收到一个新的定位信标就进行几条切线位置的比较，内存占用很小，计算量也不大，定位快速高效。2．4通信协议和介质访问协议通信协议(communicationsprotoc01)是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。在WSN通信中，通信协议用于实现节点与网络连接之间的标准，网络如果没有统一的通信协议，节点之间的数据传递就无法识别，节点必须按照通信各方事前约定的通信规则进行数据交换。本系统工作过程中，无论是定位还是数据传输，各节点之间都需要通信。子节点在间接定位时，需要和周围的节点交换位置信息；在采集完数据后，子节点要和主节点通信传输数据，或者跟其它节点通信来转发数据；主节点接收到子节点数据后，要实时将数据通过卫星转发到后台。为了确保将每个节点采集的数据转发到后台，就必须要采用两种通信协议，即节点间的通信协议和节点与卫星的通信协议。2．4．1北斗长报文通信协议北斗卫星定位系统与美国的GPS、欧洲的“伽利略”、俄罗斯的“格洛纳斯”相比，最具特色的是它的短信功能，可以在用户之间、用户与地面指挥中心之间双向传递情报数据，在军事上有广泛用途。通过授权，北斗卫星支持120个汉字的长报文通信u圳。只有确保后台所接收的各节点采集数据的完整性和有效性，才能保证后台指挥部所得到的情报判断是准确的、全面的、高可信度的。在本系统运行中，就必须控制WSN内部通信和与卫星通信时数据传输的可靠性，所以通过“北斗”卫星系统传输长报文数据时，不允许出现丢包情况。于是可以采用最后集中查询方式对数据进行控制，具体如下：首先将数据包拆包并加装相应的包头标识，接收端接收数据包后拆除包头，合并数据；如果有丢失数据包，则清查数据包标识并要求发送端重新发送该数据包，直到接收完整的数据。图2—8为数据发送端的工作流程，具体过程如下：一个完整的长报文发送过程包括长报文发送、查询响应信息分析和补包三部分，发送端将报文发送完毕后20 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理会向接收端发送一个包含本次发送数据包总数量的查询信息，接收端会根据这个信息的内容来清查接收的数据是否完整，如果没有丢包，就不需要补包，如果有丢包，则统计丢失的包号，然后向发送端发送一个回应信息，发送端根据这个信息补包发送，补包结束后在发送一次查询命令作用，通知接收端补包完毕，查询数据是否已经完整，如果不完整则继续补包。(a)长报文发送2l 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理(b)补包流程图2-8发送端工作流程如果发送端发送查询信息后没有收到接收端的响应，则等待一段时间后再重发查询信息；如果一次补包不成功的话可以多次补包。但是在实际工作中，因为 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理数据的丢失或者信道的问题，可能无法完成长报文的完整传输，又为了避免死循环影响通信链接无法继续后续的工作，所以必须对查询信息的重发次数和补包次数设定限制，其它情况也是如此。在图2—9数据接收端的工作流程中，接收端首先分析数据包头，如果是长报文数据包，则将数据保存到数据缓冲区；如果是长报文补包数据，则将数据补充到数据缓冲区；如果是查询命令，则根据命令在数据缓冲区检查有无数据丢包，如果有丢包，则通过命令查询响应信息反馈到发送端。同样，如果响应信息得不到发送端的回应，则重复发送，超过一定次数后停止发送，认为本次通信失败。2．4．2介质访问控制协议1．基本概念和分类图2-9接收端工作流程 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理在无线传感器网络中，介质访问控制(MAc)协议用来构建传感器网络系统的底层基础结构，它负责分配节点之间有限的无线通信资源，决定着无线信道的使用方式，是保证节点之间高效通信的关键网络协议之一。①基于竞争的MAC协议【4】。它采用了一种按需使用信道的方式，节点通过竞争方式使用无线信道发送数据，若在发送过程中，数据产生了碰撞，则按照事先约定的策略重发数据，直到成功发送或重发失败后放弃发送。这类协议主要有IEEE802．1lMAC层协议、S—MAC协议、T—MAC协议、Sift协议。②基于时分复用的MAC协议【4】。时分复用(timedivisionmultipleaccess，TMDA)是实现信道分配的简单成熟的机制，在传感器网络中，它为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，并采用空闲睡眠的机制，能够大大节省网络能量。由于采用空闲睡眠机制，要求节点之间有较严格的时间同步，节点在空闲时槽才能及时进入睡眠状态，所以不存在竞争机制的碰撞重传问题，数据传输时不需要过多的控制信息。但是当网络动态变化时，比如出现节点失效、节点移动导致拓扑变化时，该机制的适应性很差。典型的协议主要有基于分簇网络的MAC协议、分布式能量感知节点活动(DEANA)协议、基于周期性调度的MAC协议、流量自适应介质访问(TRAMA)协议、DMAC协议等等。③其他类型的MAC协议【4】。上文分析了基于TDMA的MAC协议的优缺点，实际上很难在能量和计算能力都有限的传感器节点上实现，如果将FDMA或者CDMA与TMDA相结合，为每对节点分配互不干扰的信道实现消息传输，不仅可以解决共享信道的碰撞问题，还能增强协议的扩展适应性。典型的协议主要有SMACS／EAR协议、基于CDMA方式的信道分配协议等等。2．SMACS／EAR协议本系统所使用的无线传感器网络是相对静止的，而且节点少，结构简单，数据传输量少，为确保数据传输的可靠性和保密性，可采用SMACS／EAR协议【4】【20]。SMACS协议通过为每对邻居节点分配不同的频率，来避免不同节点对间的频率相互干扰，从而可以避免不同节点对之间传输数据产生碰撞。在EAR协议中，运动节点侦听不同固定节点发出的“邀请”消息，并分析消息的信号强度、节点ID号等信息，以此来决定是否建立连接，如果需要建立链路，则与对方交换信息分配一对通信时槽和通信频率。当各节点抛撒到位后，主节点按事先分配的信道向各个子节点广播“邀请”，通知子节点与其建立连接。子节点接收到“邀请”后便与主节点建立连接，交换数据(一是上传其采集的数据，二是定位信息)。同时子节点也向周围发出“邀请”信息，如果某个节点在一定时间内接收不到主节点的“邀请”，也搜索不到卫星，则接受其它子节点的“邀请”建立连接并交换数据。24 中南大学硕士论文2远程打击评估系统的机理j||l囫圈溺园，i点D遂f移五辫黧≯囊{：“欲兰k||翳隧转点B’J．r：I豳翳j’l邀I必，漪备鲁五，：■溺黧豁焱e： 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案3．1系统概述该系统主要是通过将无线传感器节点置入导弹弹头，由导弹携带并抛撒到目标区域。在抛撒过程中，主节点悬浮在目标区域上空，而子节点随子母弹抛撒到目标区域。各节点到位后，定位并迅速组网通信，并采集周围环境数据，并将定位信息和战场数据上传至主节点，主节点通过北斗卫星转发至后台。工作完成后，各节点自毁。3．2系统组成北斗卫星导航定位系统、无线传感器节点(主节点和子节点)、后方数据处理平台。3．3系统功能及工作流程3．3．1系统功能(1)数据采集：无线传感器随弹头抛撒分布在弹着区域，采集周围环境的相关数据(光、热、烟雾、气压、声音、生命迹象、无线电信息、地理位置信息等)。(2)自动定位：主节点和子节点能够通过北斗卫星完成自身定位，己定位的子节点自动充当锚节点，如果部分子节点无法自身定位，则依赖这些锚节点完成定位。(3)组网通信：子节点到达地面后在收集周围环境数据的同时侦听主节点信号，在指定时间内如果侦听到了信号，则发送连接请求，连接后向主节点发送数据直至任务完成，主节点则实时将数据通过卫星转发到后方。如果在指定时间内没有收到主节点信号，则与附近子节点连接，交换数据。(4)自毁功能：目的是不让敌方捕获。①主节点自毁功能：初始状态自检，如果不能正常工作则自毁；在数据传输任务完成后或者超过设定工作时间或者电池耗尽后自毁。②子节点自毁功能：除具备主节点自毁功能外，子节点在设定时间内连接不了其它节点和卫星，则自毁。26 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案(5)数据处理：后方数据处理平台从卫星接收转发过来的数据，通过软件分析处理，能绘制出弹着点的区域坐标，给出毁伤评估数据，并能将数据通过接口输出和传送给指挥中心。3．3．2系统工作流程初始阶段自检：到达位置后的主节点和子节点分别开始自检，成功自检后，进入第一阶段开始工作，如果自检不成功，则自毁。第一阶段自身定位：主节点通过卫星完成定位，并向子节点分布区域发送连接“邀请”信号；子节点一边开展数据采集工作，一边搜索卫星信号，如果能通过卫星完成自身定位，则标识为锚节点，并进入第二阶段开始工作，否则发出信号并附上“待定位”的标识向周围节点求助，在第四阶段完成定位。第二阶段连接准备：子节点侦听网内其它节点的信号，如果能收到主节点的“邀请”信息，则发出回执信息，如果同时也能收到其它子节点信号，则也发出一个回应，该节点为理想节点；如果只能收到主节点信号，则发出回执信息，该节点为次理想节点；如果只能收到其它子节点的信号，则向这些子节点发送回应信息，并标识自己有数据转发需求，该节点为非理想节点；如果接收不到任何主、子节点的信号，则一定时间后自毁，该节点为无效节点。第三阶段组网连接：主节点侦听网内是否有回执信息，如果有，就与发送回执信息的节点建立连接，若没有，则继续侦听，直至能量耗尽而自毁，在自毁前向卫星发送包括自身定位坐标和“失败”信息的数据包，后台只能以该坐标为圆心，粗略估计火力覆盖的圆周区域范围。子节点侦听网内的回应信息，如果理想节点收到了非理想节点的回应，则与之连接，理想节点之间不建立连接；如果非理想节点只能收到相同类型节点的回应，则与之连接。第四阶段数据传输和辅助定位：能够成功自身定位和与主节点连接的子节点，即最优节点直接将采集到的数据附上标识传送给主节点，主节点将数据包接收并处理后上传给卫星，卫星则将其转发到后台。锚节点负责其它节点的辅助定位，依靠锚节点完成定位的节点自动成为一级锚节点，依靠一级锚节点完成定位的成为二级锚节点，以此类推；如果某节点没有连接到锚节点或者没有足够的锚节点实现定位计算，则等待其连接的其它节点完成定位后再选择低级别的锚节点来实现定位计算。理想节点和次理想节点先将采集到的数据直接发送给主节点，待定位完成后再将位置信息上传。非理想节点优先与最优节点和理想节点连接，并通过它们转发数据；如果不能直接连接这两种节点，则选择能与这两种节点连接的最短路径的节点作为数据转发节点，然后逐步将数据转发到主节点。第五阶段自毁：一定时间内，网内没有数据传输或者是指定工作时间结束后，主节点和子节点自毁。27 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案3．4网络结构3．4．1拓扑结构采用星一网混合网络拓扑结构，子节点一主节点一卫星一后方数据处理平台，子节点分布在弹着区域，主节点悬浮在空中(抛洒后在下降中实时测量与地面距离，直至下降到有效信号高度)。见图3-1图3—1网络拓扑结构从网络任务上看，每个网络中的子节点除了要进行本地信息数据的收集和处理外，必须兼备传统网络节点的终端和路由器双重功能，能够存储和管理其它节点转发过来的数据，并协同其它节点完成其它特定的任务。主节点是子节点与卫星之间的中继，数据存储能力、处理能力和双边通信能力相对比较强，连接着传感器网络与卫星，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到卫星，主节点不仅要有足够能量供给保持悬浮飞行和通信、计算，还要有足够的内存储存数据。3．4．2网络协议栈早期研究提出的传感器网络协议栈12l共有五层协议，实质上与互联网协议栈的五层协议相对应，不仅包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，另外还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。各层协议和平台的功能如下：1．物理层主要提供信号调制和无线收发功能； 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案2．数据链路层主要负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；3．网络层主要负责路由生成与路由选择；4．传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；5．应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件；。6．能量管理平台管理传感器如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；7．移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；8．任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。在图3．2，通过改进后的协议栈中可以看到，定位和时间同步子层在协议栈中的位置非常特殊，它们不仅要依靠数据传输通道进行协作定位和时间同步，而且，同时又要为网络协议各层提供信息支持，例如需要定位与同步信息的传感器网络协议——基于时分复用的MAC协议、地理位置的Route协议等。Qos管理通过各类协议层设计诸如队列管理机制、优先级机制，以及带宽预留机制等各类机制，对特定应用数据进行特定的处理；而拓扑的生成则通过利用物理层、链路层、路由层来完成，另一方面，各类层又从拓扑控制取得相应的基础信息支持，继而对MAC协议和Route协议进行优化，主要反映在协议效率的提升与网络能量消耗的缩减；至于网络管理，其功能是协调控制网络中各个协议组件的运行，在实现过程中，它不仅需要将各信息接口嵌入到各协议层中，还需要定时对协议的运行状态和流量信息进行收集。图3—2改进后的传感器网络协议栈 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案3．5节点设计方案节点系统从硬件上来看，主要分为传感器数据采集模块、无线通信模块、控制器模块、电源模块等。传统的节点硬件设计是以控制模块为核心、电源模块为能源基础、其它两个模块分别完成自身的功能。其中控制模块是整个系统的核心模块，对其它三个模块进行控制，同时也是系统的数据中心。电源模块是整个系统运行的基础，负责对其它三个模块进行能量供应。采集模块由各种传感器组成，主要负责数据的采集和调制，是采集节点数据的直接来源。无线通信模块掌管采集节点组网、命令传达、数据传输的职责，是整个网络构建的重要组成部分。在节点设计过程中，几个模块的设计基本上是独立的，但也会存在交叉。3．5．1主节点设计方案在本系统中，主节点的主要工作是组网通信和信息的实时转发，只要将传感器网络采集到的数据通过卫星转发到后台就行了，不需要数据采集功能，只需要数据存储功能。此外，为了确保军事机密，不让敌方捕获节点，增加了自毁功能，硬件功能模块见图3—3。1．电源模块电源主要为主节点保持悬浮状态、组网通信以及数据存储提供能量，所以电源必须具备足够的电量能够确保系统正常运行。一是要保证电源本身的低功耗，尽量减少电能释放过程中的发热和能量损失，并具备较好的散热能力；二是要考虑整个系统的峰值需要，当所有节点全部有效，通信开销和数据交换最大化时，主节点电源必须能提供足够的电量满足系统在工作时间内正常运行；三是电源的稳定性和精确度，每个模块的工作电压和功率并不一样，所以电源必须能够为每个模块转换稳定和精准的电压，以确保节点系统正常运行。2．数据处理和无线通信模块在系统运行中，主节点不断的收到子节点上传的定位信息和战场数据，然后不断的向后台转发这些数据。实际上，北斗卫星只能提供最多120个汉字的数据服务，所以主节点只能把收到的数据先存储，并分割成符合卫星要求的数据包，然后再逐步转发。无线通信模块主要是完成上对卫星，下对子节点的通信。与卫星通信时，一方面接收卫星的定位和授时信息，另一方面与卫星进行长报文通信；与子节点通信时，一方面协助部分不能自身定位的子节点完成定位，另一方面接收子节点上传的数据。3．控制模块主要是通过北斗卫星完成自身定位和授时。在主节点完成定位和授时后，一方面开始计时，在超过设定工作时间后启动自毁装置；另一方面协助网内其它搜 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案索不到卫星的子节点完成时间同步。4．自毁模块在主节点部署到位后开始系统自检，如果自检不合格则启动自毁，如果运行正常，则在系统工作时间结束后启动自毁。3．5．2子节点设计方案子节点的主要工作是战场数据采集与处理，通过与卫星和其它节点的通信完成定位、授时以及信息的转发，同时也具备自毁功能，在设计上比主节点复杂，硬件功能模块见图3—4。图3-3主节点硬件框图图3—4子节点硬件框图1．电源模块虽然子节点不需要悬浮，电源主要是给其它功能模块提供支持，但是子节点无论是在个体设计还是功能设计上要复杂得多。子节点体积很小，所以电源也必须小巧，一是要保证电源本身的低功耗，尽量减少电能释放过程中的发热和能量损失，并具备较好的散热能力；二是要考虑整个系统的峰值需要，当所有功能单元全负荷运行，通信开销和数据交换最大化时，电源必须能提供足够的电量满足系统在工作时间内正常运行；三是电源的稳定性和精确度，确保各功能单元正常运行。2．数据采集和数据处理模块战场数据来源全部都来自采集模块的数据采集，数据采集模块主要负责所需要的数据采集以及调制，主要包括控制电路、调制电路和传感器三个部分。采集模块主要是通过传感器采集战场环境的各种物理要素，并将这些要素转化成数据信息。一是要传感器种类要多样性，满足战场环境要素的全面性；二是要尽可能的低功耗，子节点除了采集数据还需要进行定位和通信，甚至可能为更多节点转 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案发数据和定位。三是要确保数据采集的可控性和数据转化的准确性，通常节点采集的数据很多，在采集过程中需要对传感器供能、采集通道、采集动作进行控制，确保战场环境要素转化为数字信息。3．控制和无线通信模块无线通信模块主要是接收卫星的信号，和主节点及其它子节点的通信。白检成功后，子节点控制单元会按照是否能自身定位、是否能连接主节点、是否需要邻居节点定位和转发数据等各种可能发生的情况发射和接收各类无线信号，控制节点按优化路径建立网络连接，确保数据的可靠传输。同时，在子节点完成定位和授时后，一方面开始计时，在超过设定工作时间后启动自毁装置；另一方面协助网内其它搜索不到卫星的子节点完成定位和时间同步。4．自毁模块在子节点部署到位后开始系统自检，如果白检不合格则启动自毁；如果运行正常，则在系统工作时间结束后启动自毁：如果不能成功联网也启动自毁。主节点和子节点的工作流程如图3．5所示3．6算法分析在前面章节提到过，节点的分布情况分三种，即最理想分布情况、次理想分布情况、不理想分布情况。作为军事用途，对本系统的要求是必须确保在任何情况和自然条件下都能顺利完成任务，能够准确提供火力覆盖的区域坐标和毁伤具体情况。由于战场的情况十分复杂，特别是受火力打击后的地理环境、电磁环境会非常恶劣，主节点失效，部分子节点搜索不到卫星等情况会时有发生，所以必须从第三种不理想分布情况去考虑。3．6．1路由算法分析子节点物理个体较小，能量极为有限，不仅要完成数据采集任务，还要进行定位和组网通信，所以在构建网络路径的时候要重点考虑算法的收敛速度和功率消耗。为确保不理想分布状态下各节点依然能够完成定位、可靠的通信传输，使整个网络系统最大的发挥作用，可采用OACA路由算法。该算法基于北斗定位系统，由北斗为无线传感器网络节点定位并提供方向因子，是一种蚁群多约束QoS路由优化算法。而传统的蚁群算法主要是依靠信息素浓度来搜索路径，可能会因为搜索的盲目性而导致蚁群算法初始收敛慢，或者会因错误的引导信息，造成大量的无效搜索。在实际工作中，部分子节点能够通过北斗定位系统完成自身定位，从而本身就拥有了方向因子。在算法执行初期，让方向因子起主导作用，但是同时信息素 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案(a)主节点工作流程图3-5系统工作流程图33(b)子节点工作流程 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案浓度会随着算法的执行逐渐增大，不断积累信息素，在算法执行后期；信息素浓度起主导作用，凭借前期的信息素积累来进行搜索，这样方向因子对路由优化就能发挥最大作用，极大提高收敛速度，从而减少信息包发送数，减小寻找路由导致的通信开销和能量消耗。3．6．2节点定位算法分析在节点定位方式中，首选是卫星定位，不仅迅速而且更加精确，但是必须满足节点能够接收到卫星信号。受复杂环境的影响，当子节点搜索不到卫星信号，无法进行卫星定位时，就只能通过周边能够联系的网内节点实施定位。受导弹的飞行误差和自然因素的影响，传感器网络节点在被抛撒的区域有很大的随机性。当到达目标区域后，在整个抛撒区域各节点可能会分布在不同的平面，有的节点会在地面，而有的节点会在地下或者建筑物内。由于地理位置或者遮挡物的影响，会导致部分节点无法接收到卫星信号，甚至接收不到其它节点的信号。如果某个节点接收不到卫星或者任何其它节点的信号，那么该节点会自毁，不参与组网。如果它能接收到其它节点的信号，那么它就通过这些节点完成定位和数据通信。在整个目标区域，只要知道主节点和大部分子节点的精确位置基本上就可以推算出子母弹所抛撒的区域(弹头解体后，子母弹携带传感器节点呈圆形抛撒)，所以对于部分需要网内节点辅助定位的子节点来说，定位精度要求并不高。为了节约带宽资源和电能，子节点的定位应该是按需求的，即只对需要定位的节点定位，而不需要对整个网络重新定位，定位方式应该是主动式和分布式相结合的，所以可以采用ADLA定位算法。具体过程如下：节点首先卫星定位，T1时间内完成定位后，组网并附上锚节点标识和坐标在网络中广播，告知其它节点已有定位信息。若节点自身无法定位则监听广播，T2时间内收到信标节点报文则不发送定位请求报文；若没有收到信标节点报文，则主动广播定位请求报文，已定位节点收到报文后辅助请求节点完成定位。如果节点在未完成定位时收到了其它节点的定位请求报文，则该节点不转发请求报文，待自身完成定位后再辅助该节点完成定位。节点坐标的估计采用类似凸规划的计算方式，将节点之间的通信关系转化为几何模型。当节点收到定位信标报文时，就得到了发送报文锚节点的坐标以及它的覆盖半径，于是将锚节点的坐标设为圆。Ii,，以其覆盖半径画圆，就可以得到锚节点的圆形覆盖区域，据此可以画出很多的圆，而这些圆的重叠部分就是待定位节点所处的区域，该区域的质心标定为待定位节点的估计位置。从图形中可以看到，节点能联系的锚节点越多，所得到的圆就会越多，重叠区域就会越小，从而得到的节点位置坐标就会更精确，坐标估计的可信度就会越高。 中南大学硕士论文3远程打击评估系统设计方案3．7后方数据处理平台后方数据处理平台主要工作是与卫星通信，数据存储和数据处理以及与其它设备对接。这个平台是整个远程火力打击评估系统的终端，该终端能接收从卫星转发过来的数据包，并对数据内容进行存储和分析处理，并通过网络传送给本级指挥终端，使本级指挥员对目标打击情况有一个全面直观的了解。同时本级指挥系统也可以将数据传送至上级指挥控制中心，使上级指挥员对整个波次火力打击的具体毁伤情况有全面的了解，能更快更准确的制定下一步火力打击计划。该平台见．图3—6。．3．8本章小结07))l∥△图3-6后方数据处理平台本章主要是根据远程火力打击评估系统的任务需要，设计了整个系统的组成结构、各部分的功能以及工作流程，重点设计了担任重要角色的传感器节点的硬件功能模块。． 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验本系统节点的自定位功能和长报文通信功能可以通过开发北斗应用的芯片完成，由于实验条件有限本文对此不进行仿真实验。在此，主要对节点的路由算法以及节点之间的辅助定位算法进行了仿真实验，具体如下：4．1路由算法仿真实验下面对基于蚁群算法的多约束Qos路由算法进行仿真实验，编程实验环境为VC++，AMD双核2．6G，2G内存。图4-1为模拟的网络拓扑图，节点数为25，源节点用黑色实一tl,方块表示，目的节点用黑色实心圆表示，链路的特性用一四元组(延迟，成本，带宽，丢包率)来描述，求从源节点到目的节点的一条满足多约束Qos的路径。其Qos的要求为：所需延迟≤50，成本≤200，带宽>180000，丢包率≤0．002。图4一l网络拓扑图按照需求分别设其权值，本例中w=[wd，wc，Wl，Wb】----[0．01，0．47，0．51，0．01】蚂蚁数为10，目标函数如下：y(p)=0．0l×delay(p)+0．47xcost(p)-I-O．51×loss(p)+O．Olxbandwidth(p)为了研究方向因子对算法的影响，调整算法中方向因子权重∥，检测方向因子对算法收敛速度以及信息包发送量的影响。从图4．2中可以看到，随着∥的增大，算法的收敛速度也在不断增加。因此可见方向因子在提高算法收敛速度方面有显著效果。但是，并非方向因子的权重越大越好，在图中还可以看到，当(口，∥)取值fo．2，0．81时，虽然收敛最快，但是收敛到的解并非最佳解，过早的陷入了局部36 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验最优解。趔籁闫蜷Ⅱ02004006008001000时间图4—2方向因子对算法收敛速度的影响接下来分别对OACA和基本蚁群算法(ACA)作仿真进行比较逐步增大网络规模，比较其平均搜索速度(图4—3)和功率消耗(图4—4)，整个算法运行时间越长，发送的数据包越多，则系统消耗的功率就越大。因此对于电池能量有限的无线传感器网络，算法的运行时间和发送的数据包都是比较重要的因素。可见改进后的蚁群算法的迭代次数并不随着网络规模的扩大而显著增加。同时还可以看出，ACO的收敛速度和功率消耗也明显优于传统蚁群算法。26002200厘1800‘_搔基14001000600—◆一OACA+AcA节点数图4-3可扩展性和收敛速度的比较而且当拓扑的规模越大时，两者的差距越明显。这是因为当拓扑规模比较大时，蚂蚁(即控制包)在选路时有更多的选择。OACA有方向因子指引，使算法执行初期的蚂蚁就能径直朝着目的节点爬去，找到一些非常好的路径。但是传统蚁群算法没有方向的指引，初期只能盲目的寻找路径，使得初期找到的许多路径6420864 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验都不是很好，甚至有些蚂蚁根本无法到达目的节点而在中途“死掉”。而初期的蚂蚁又在它们走过的路径上留下了信息素，对后续的蚂蚁产生了不良影响。好的路径意味着比较少的控制包需要被复制转发，因此能量开销较小；而差的路径则相反，使控制包的复制量大大增加，能量开销也比较大。26002200垦1800忉籁擎1400垦翟籁擎10006002030405060708090100节点数图4—4功率消耗比较10203040蚂蚁数—_◆一0ACA—■一ACA图4—5不l司蚂蚁数的收敛时I司比较此外，修改蚂蚁的数量，分别对传统和改进后的算法进行比较，从图4—5可以看出，随着蚂蚁数量的增加，两个算法的收敛时间均呈下降趋势，即蚂蚁数量与收敛时间呈反比，与收敛速度呈正比。在蚂蚁数量相同情况下，改进后的算法收敛速度优于传统蚁群算法。在蚂蚁数量较少时，蚂蚁数量的增加对算法收敛速度影响相当大，但蚂蚁数目增大到一定程度时，蚂蚁数量的增加对算法的收敛速度改进并不明显。但从图4—6看到，蚂蚁数量的选择并不是越多越好，而要适中，因为蚂蚁数量增加到一定程度后，会发送较多的控制包，从而增大了功率消耗。 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验6000050000籁塑40000船辍300002000010203040蚂蚁数量图4-6不同蚂蚁数的功率消耗比较4．2ADLA定位算法仿真实验利用0心ET++工具进行实验仿真，基于如下实验参数和条件：①无线通信覆盖的形式：节点通信覆盖的区域是一个规则的圆形，普通节点的信号覆盖半径R为50m；锚节点通信覆盖半径可以根据实验项目调整，这里设为普通节点信号覆盖半径的整数倍。②节点的分布形式：节点在监测区域内随机分布。③锚节点的位置坐标信息是准确的，忽略锚节点自身位置误差。4．2．1定位误差与锚节点密度之间的关系定位算法的定位精度是考核定位算法性能的一个重要指标，随着锚节点数目增加，Centroid、DV-Hop、APIT和本文的ADLA算法的平均定位误差的发生变化，这里的误差值以普通传感器通信覆盖半径R作为单位的。锚节点的密度从8到26之间变化。从图4-7看出，除了DV—Hop算法，其它算法都随着锚节点密度的提高稳步下降。这是由于随机分布不均衡的情况下，提高锚节点的密度可以减少局部锚节点稀疏的概率，从而整体提高了定位精度。而DV-Hop相对于节点密度的变化不是很敏感，这是由于在各向异性的布置情况下，其平均每跳距离估计值很不精确，所以DV—Hop算法的定位误差随着锚节点密度的提高变化变小。从本实验可以看出，当锚节点到18时，定位误差可以达到大约0．6R。39 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验芷渊憨z：连0＼”、{一、卜—人．■＼。7矿～攀=o艮一～一—卜=i—’_。i■一—、一一一一一8101214161820222426锚节点密度—◆一Centroid—■一DVHop一杂～APTT—嗣卜-ADLA图4—7锚节点密度对定位精度的影响4．2．2定位误差与锚节点覆盖半径之间的关系本实验主要研究锚节点覆盖半径对定位精度的影响，从图4-8看出，APIT算法和本文的ADLA算法表现为当覆盖半径从l倍R提高到3倍R时，定位误差是减小的。这是因为随着锚节点覆盖半径的增加，普通节点收到更多锚节点的发出的定位信标。有助于缩小重叠区域的大小，从而降低了定位误差。而当锚节点的覆盖半径进一步增大时，定位误差反而有所增加。这是因为随锚节点覆盖半径进一步增加，重叠区域不再减小反而会增大，使得定位误差有所增加。4．51⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Z制嗤，-七l23456789101l12锚节点覆盖半径(R)—令一Centroid—穗一DVHop—滚～APIT—踊PADLA图4-8定位误差与锚节点覆盖半径之间的关系28642l86421l1O0．●．■：1}●4■!lf_}j505OP0O53002c、o1l0 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验ADLA算法当锚节点覆盖半径是普通节点4倍的时候，定位误差最小。在实际应用中为了减少锚节点的数量、降低成本，可以适当提高锚节点的覆盖半径。在成本和定位精度之间做个权衡。4．2．3定位算法的通信开销由于本文定位算法是基于主动定位方式的，而以前的定位方式为被动的。直接无法进行比较。主要考察定位的通信开销与锚节点密度之间的关系。需要说明的是本实验是比较定位过程中普通节点之间的通信报文的发送量，而不是考察锚节点发送的定位信标数据量。由于DV—Hop通信开销比APIT和ADLA算法大的多。因此图4-9中表示通信量坐标的方向采取了对数形式。下图显示DV—Hop和APIT算法的发送的数据量随着锚节点的增加而迅速增加。本文认为在DV—Hop算法中，普通节点都需要转发每个锚节点发出的定位信标，所以网络中发送的数据包总量会随着锚节点数目增加而增加。同时网络中大量的数据包在发送，必然增加数据包碰撞的机会，导致更多的数据包重发。APIT圃嘲迎垦蜊681012141618202224锚节点密度——◆一DVHop—1I卜APIT’—●I—ADLA图4—9通信开销的比较节点只是在本地交换一次信息，与DV—Hop相比大大减少了通信量。但随着锚节点的增加，节点之间需要交换更多的有关三角区归属信息，所以其通信量也增加。ADLA算法中，只有在节点发现自己周围的锚节点数偏少，估计矩形区间偏大时，才需要获取周围邻居节点的定位信息，来缩小估计矩形的面积，提高定位精度。同时随着锚节点密度的增加，普通节点到锚节点的平均距离下降，定位请求报文只需要经过更好的通信跳数到达锚节点。从而转发的定位请求报文的数量下降。另外随着锚节点密度的增加，更多的节点单依靠锚节点的定位信标就可以将估计区域缩小到可以接受的范围，不需和其它普通节点交换位置信息。41∞m∞m●01 中南大学硕士论文4路由算法和定位算法的仿真实验4．3本章小结本章主要通过仿真实验验证了路由算法和定位算法的可行性，以及各种要素之间的关系和对算法结果的影响。42 中南大学硕士论文5总结与展望“数字化战场”是美国在20世纪末提出的新构想，它是指以信息技术为基础，以信息环境为依托，用数字化设备将指挥、控制、通信、计算机、情报、电子对抗等网络系统联为一体，能实现各类信息资源的共享、作战信息实时地交换，以支持指挥员、战斗员和保障人员信息活动的整个作战多维信息空间。从上世纪的“沙漠风暴”、“科索沃战争”到本世纪的对伊、对阿富汗以及最近的对利比亚战争，一直都体现着信息技术对现代战争产生的重大影响，技术推动着战术不断的变革，也体现着信息获取技术是赢得战争最终胜利的重要保证。所以加快我军的信息化转型，将传统的手段转变为信息化手段，将先进的技术应用到现代战术中去，不断革新战法是目前叵待解决的问题，也是我军能否取得未来信息化战场胜利的关键所在。5．1总结本文立足实战中战场信息的采集需要，结合北斗卫星系统和无线传感器网络等先进信息技术手段，构建了一种新型的即时性的可靠的低成本的远程火力打击评估系统。这个系统颠覆了传统的手段，不需要收集卫星和无人机侦察图片去判图，不需要派侦察人员去现场勘查，只需要把传感器节点置入导弹弹头，随导弹抛撒后就能自动工作，源源不断的把战场信息传送到后台。该系统的主要优点有：1．成本低廉。本身无线传感器节点的造价并不高，而且传统手段中派人员和无人机侦察所产生的消耗和带来的风险损失远远高于传感器节点的成本。2．安全性高。节点都设计了自毁系统，不管是否能正常工作或者是工作完成后或者是超过预定时间后都会自毁，不会被敌方捕获；再者由于节点是通过卫星转发数据到后台，而不直接通信，属于单方面的上报，也确保了后台通信链路的安全性。3．实时高效。传统的手段周期太长，受天气或者恶劣战场环境的影响还不一定能一次性侦察成功，而且根据判图还可能存在很多误差和误判，效率很低。而传感器节点能跟着弹头抛撒，火力打击过后就能落到火力覆盖区域，迅速开始定位、组网、采集数据和通信，实时性的将数据上传到卫星转发到后台。也就是说在火力波次打击中，可能同时攻击几个甚至几十个目标，在导弹发射后，后台就能在极短时间(几十分钟甚至几分钟内)收到每个目标火力打击效果的数据，知道每枚弹打得准不准，毁伤效果好不好，需不需要火力补偿，有这样直观的参考，43 中南大学硕士论文5总结与展望指挥员就能迅速的做出下一步火力决策，让敌方毫无喘气的机会。这种效果是传统手段根本无法比拟的，在早些年也是无法想象的。虽然该系统的应用前景很好，有很多优越性，但是受目前研究条件和硬件条件的影响还存在很多问题。一是北斗系统还不健全，目前只能覆盖亚太地区，还不能覆盖全球，所以目前该系统只在亚太地区有效。二是由于我军的信息化建设相对落后，还没有建成类似美军的C4ISRT系统，所以该系统目前只能独立运行，还不能与上级对接。三是硬件设计上还存在很多问题。节点从高空落下，不仅要有耐高温的壳体，而且还必须要有减速和减震的装置，特别是主节点还需要能保持悬浮状态的装置。在被火力打击了的地域采集数据，节点可能会被复杂的电磁环境和恶劣的战场环境干扰和影响，所以节点不仅要有能适应恶劣环境的硬件条件(抗高温、防水、防火)，还需要能抗干扰的无线信号等等。本文构建的远程火力打击评估系统，主要侧重于前端部分(即无线传感器网络和北斗卫星)的研究，设计了整个网络的结构，各个部分的功能和实现方案，重点设计了系统内部的关键技术，即路由协议、定位方式和介质访问控制协议等等。节点的具体硬件构造和后方终端的软硬件设计将在今后的研究中不断完善。5．2展望建立一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统是我军信息化建设的发展方向。随着北斗卫星导航系统的不断完善和发展，军事方面的各个领域将会发生翻天覆地的变化，传统手段会被淘汰，新思想和新战法会不断涌现。比如说，没有制导定位卫星，就没有精确打击武器。可以说，未来信息化战争将不再是“海一陆一空三位一体”的作战方式了，而是“海一陆一空一太四位一体”的作战方式，信息化手段对于战争的胜负将会产生越来越大的影响。 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中南大学硕士论文参考文献业出版社，2007，19—21．47 中南大学硕士论文攻读硕士学位期间主要研究成果[1]梁建武，贺鹏彬，王军．一种Chord优化改进算法．计算机光盘软件与应 中南大学硕士论文致谢本论文是在导师梁建武副教授的悉心指导下完成。梁老师科研作风严谨、实事求是、知识渊博、开拓创新，在学习、科研、工作上给了我非常多的指导和支持，使我顺利完成学业，并让我具备了一定的科研创新能力，为以后在新的工作岗位上立足打好了坚实的基础。梁老师待人非常热情、处事稳重，在生活上给了我很大的鼓励和帮助，让我懂得了很多为人处事方面的道理，使我不断地成长、成熟。梁老师在工程方面给予我很多指导，从设计到实现的各个环节都给予我细心的指导。在此，谨向梁老师表示我最诚挚的敬意和最衷心的感谢!在我的课题实施过程中，我的同学王军、郭海艳、刘美兰、廖亮兵、朱洪潮给予了我很大的支持、鼓励与帮助，提供很多宝贵的意见，在这三年的时间里，我们结下了深厚的友谊，在此衷心的对我的朋友们表示感谢!感谢我的父母、我的家人，这么多年来对我学习、生活上无私的关怀、帮助和支持，使我顺利完成了学业!还要感谢开拓了这个研究领域的前人们，有了你们的基础工作，才有我今天的成果!谢谢你们!谢谢所有帮助过我、关注过我的人149