張 潔

（福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福州 350007）

1 引言

在傳感網(wǎng)絡(luò)中對服務(wù)質(zhì)量（QoS）［1］較低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，可以通過其附近節(jié)點(diǎn)的精確位置信息，或附近節(jié)點(diǎn)的間距來輔助實(shí)現(xiàn)。顯然周邊節(jié)點(diǎn)精確的位置和間距信息有助于甄別目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。然而出于成本考慮，在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)時未能在所有節(jié)點(diǎn)上部署GPS。因此，通過設(shè)計計算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息的算法就成為了研究的熱點(diǎn)。常用的計算策略主要有基于非測距/測距定位方案。

非測距定位方案只要通過獲得已知節(jié)點(diǎn)的位置信息即可鎖定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。實(shí)施過程是通過引入加權(quán)值來體現(xiàn)全網(wǎng)中不同的已知節(jié)點(diǎn)對未知節(jié)點(diǎn)的間隔計算的影響力，再評估出加權(quán)跳數(shù)和跳距從而鎖定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。但是，該方案的實(shí)施是在節(jié)點(diǎn)密度較為均衡［2］的拓?fù)洵h(huán)境中，且信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例較多的情況下。這樣的環(huán)境與現(xiàn)實(shí)中所部署的可用參考節(jié)點(diǎn)有限的模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并不總是對稱。

測距定位方案則是通過計算待測節(jié)點(diǎn)和已知節(jié)點(diǎn)的間距來甄別坐標(biāo)精確的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，常見的實(shí)施策略有模擬退火算法和誤差規(guī)避算法。其中前者屬于集中式定位，實(shí)施過程不僅需要大量的開銷占據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源，更由于擴(kuò)展性不足限制了其優(yōu)勢的發(fā)揮。后者雖然通過分布式機(jī)制跟蹤鎖定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，但算法在計算復(fù)雜度方面卻表現(xiàn)不佳。同時，兩種算法在測距偏差容忍度［3］方面較弱。

基于此，本文提出一種在模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過分布式計算跟蹤來鎖定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的甄別機(jī)制。該機(jī)制通過改善模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可用參考節(jié)點(diǎn)極少，或參考節(jié)點(diǎn)部署的偶然性所導(dǎo)致的測距偏差，來提高目標(biāo)甄選的準(zhǔn)確度。

2 偏差分析

模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，雖有大量節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但載有GPS的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)卻極少。在指定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍內(nèi)，當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)小于2 個甚至恰好部署在一條線路上時，由于外界因素導(dǎo)致的測距誤差，最終所甄別出來的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)很可能與實(shí)際目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)呈現(xiàn)出圍繞某條直線的對稱性分布。

上述偏差過程描述為：假設(shè)節(jié)點(diǎn)TR被定義為本次甄別的目標(biāo)實(shí)際坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)C和共線上的節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B 作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。以A 節(jié)點(diǎn)為中心的通信半徑范圍和以B 節(jié)點(diǎn)為中心的通信半徑范圍相交于TR點(diǎn)和TW點(diǎn)，后者為目標(biāo)的待選坐標(biāo)。待測目標(biāo)和信標(biāo)的測距定義為Lct、Lat、Lbt。其中，信標(biāo)C和Tw/TR之間的測距定義為Lct1/Lct2。在實(shí)施目標(biāo)甄別時，根據(jù)式（1）測距的差額?i來決定選誰作為TR點(diǎn)的定位位置。當(dāng)由于測距過程的誤差導(dǎo)致了?2=?1，則無法確定TR節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；當(dāng)由于測距過程的誤差導(dǎo)致了?2＞?1，則TR節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)定位誤差。

根據(jù)上述分析不難推測，當(dāng)待測節(jié)點(diǎn)在被定位過程中出現(xiàn)了偏差，這個定位偏差的節(jié)點(diǎn)如果被再次視為其他待測目標(biāo)的參考對象時，終究會因累積［4］性偏差致使全網(wǎng)甄別機(jī)制的失效。并且，此種定位誤差影響力與模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中節(jié)點(diǎn)測距誤差、參考節(jié)點(diǎn)部署的偶然性呈正比。

3 信任度分析

基于上述問題，本文為目標(biāo)甄別機(jī)制設(shè)立一個甄別模型。模型需與模糊網(wǎng)絡(luò)［5］的部署特征相吻合，故在測試網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍內(nèi)隨機(jī)撒布的普通節(jié)點(diǎn)規(guī)模遠(yuǎn)超載有GPS 的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。甄別機(jī)制通過計算參考節(jié)點(diǎn)和篩選待選節(jié)點(diǎn)來分布式實(shí)施跟蹤鎖定全過程。據(jù)此，建立以下甄別模型。

假設(shè)一條共線上分布有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A(XA，YA)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B(XB，YB)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T 的測距為LAT和LBT。節(jié)點(diǎn)D 作為參考節(jié)點(diǎn)。經(jīng)由式（2）計算可得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T位于共線兩側(cè)的待選點(diǎn)，即T1和T2的位置信息(XT1，YT1)、(XT2，YT2)。

為確保參考節(jié)點(diǎn)的信任度［6］，要求參考節(jié)點(diǎn)D位處目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T 的通信范圍內(nèi)，并且不位于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A 和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B 的連線上。同時，還需通過計算［7］分析確保參考節(jié)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)DR(XDR，YDR)和估算坐標(biāo)DE(XDE，YDE)位于兩個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的同一邊。據(jù)此要求，建立一個參考節(jié)點(diǎn)偏差模型。

在該模型下，定義參考節(jié)點(diǎn)的單跳鄰居節(jié)點(diǎn)中存在跳距矛盾的節(jié)點(diǎn)在3 個以上。則節(jié)點(diǎn)表示為。定義參考節(jié)點(diǎn)的多跳鄰居節(jié) 點(diǎn) 中 存 在 跳 距 矛 盾 的 節(jié) 點(diǎn) 為。則跳距矛盾節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息表征為(XgRi，YgRi)和(XgEi，YgEi)。則由式（3）可求LDEgRi和LDEgEi。

從DE點(diǎn)延伸出一條與節(jié)點(diǎn)A 節(jié)點(diǎn)B 連線的垂直 線［8］，經(jīng) 由 式（4）可 算 出 垂 點(diǎn)H(XH，YH) 和和

當(dāng)且僅當(dāng)權(quán)重大于等于零，才能確保DE和DR不位于兩個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的連線上且處于連線的同一邊。此時，DR列為可信任的參考節(jié)點(diǎn)，并由式（5）計求出該信任參考節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的待選點(diǎn)之間的間距。

4 甄別機(jī)制

出于成本考慮，建設(shè)模糊傳感網(wǎng)絡(luò)時接入的節(jié)點(diǎn)大多為普通傳感節(jié)點(diǎn)，載有GPS的節(jié)點(diǎn)極少。本文研究的基于信任的目標(biāo)甄別機(jī)制正是結(jié)合模糊網(wǎng)絡(luò)部署節(jié)點(diǎn)的特征出發(fā)來實(shí)施目標(biāo)節(jié)點(diǎn)跟蹤鎖定過程。因此，啟動甄別機(jī)制前待測的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需在通信半徑范圍內(nèi)遍歷載有GPS的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后再搜索尋找信任度較高的參考節(jié)點(diǎn)，最后甄別出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。整個算法的運(yùn)行過程如圖1所示。

圖1 甄別流程

5 測試分析

5.1 測試模型

為方便通過NS-2仿真平臺對甄別機(jī)制的性能進(jìn)行測試［10］，實(shí)驗(yàn)開始前先對仿真模型和相關(guān)指標(biāo)做如下設(shè)置：1）構(gòu)建100M×100M 的待測模糊傳感網(wǎng)絡(luò)，并分別在全網(wǎng)范圍內(nèi)隨機(jī)撒布幾組普通節(jié)點(diǎn)/信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：46/4、67/8、88/12、109/16、130/20、151/24、172/28、193/32；2）分別設(shè)置測距偏差：0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39；3）為避免相同類型節(jié)點(diǎn)在投放過程中不夠隨機(jī)［11］導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，本次對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展300次仿真。

為了驗(yàn)證甄別機(jī)制的實(shí)效性，實(shí)驗(yàn)方案主要通過調(diào)整不同類型節(jié)點(diǎn)的規(guī)模以及測距的偏差來考察甄別機(jī)制的優(yōu)勢，并將該機(jī)制下的差錯情況與常見的實(shí)施策略模擬退火機(jī)制和誤差規(guī)避機(jī)制展開比較。

5.2 測試分析

在給定面積的待測模糊網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大時，由于可信任節(jié)點(diǎn)［12］的增加，跟蹤鎖定的精度勢必較高。從圖2 所示的曲線圖不難看出，三種機(jī)制下的跟蹤精度和節(jié)點(diǎn)規(guī)模呈正比關(guān)系。相比較傳統(tǒng)的模擬退火機(jī)制和誤差規(guī)避機(jī)制，鄰居節(jié)點(diǎn)對本文研究的甄別機(jī)制的影響效力較低。即便其誤差較大，只需滿足權(quán)重條件均可被考慮列入甄別機(jī)制中可信任的對象用于跟蹤目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。而傳統(tǒng)的機(jī)制由于對鄰居節(jié)點(diǎn)的依賴程度較高，在定位精度方面表現(xiàn)不佳。因此本文研究的甄別機(jī)制在甄別出差錯率方面占據(jù)優(yōu)勢。

圖2 甄別差錯率

當(dāng)待測模糊網(wǎng)絡(luò)中各類節(jié)點(diǎn)規(guī)模恒定時，跟蹤鎖定的誤差程度伴隨著測距偏差增加而增加。從圖3 所示的曲線可見，三種機(jī)制的跟蹤差錯程度都隨著測距偏差程度的加劇而呈現(xiàn)出線性遞增［13］的趨勢。由于本文研究的目標(biāo)甄別機(jī)制對測距精度依賴性較弱，故甄別目標(biāo)的差錯程度最輕微。

圖3 甄別差錯程度

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的存在很大程度上改善了各類定位算法的能效性，同時待測節(jié)點(diǎn)被列入定位算法的接受定位的機(jī)率［14］也隨著信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度有所提升。這樣的表現(xiàn)在圖4 所示的曲線中得以體現(xiàn)，三條曲線隨信標(biāo)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增加均表現(xiàn)出了良好的被甄別率。由于傳統(tǒng)的模擬退火機(jī)制和誤差規(guī)避機(jī)制對待測目標(biāo)周邊節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值要求較為苛刻。因此在模糊網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)待測目標(biāo)附近節(jié)點(diǎn)密度較低，符合權(quán)重值條件的節(jié)點(diǎn)很少時，這類待測目標(biāo)群體將不在定位［15］算法考慮范圍內(nèi)，于是失去了被跟蹤定位的機(jī)會。與此相反，本文研究的基于信任的目標(biāo)甄別機(jī)制對目標(biāo)周邊節(jié)點(diǎn)的權(quán)重［16］條件，只需要滿足其實(shí)際坐標(biāo)和估算坐標(biāo)位于兩個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的同一邊即可納入可信任的考慮范圍，隨后通過該參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步跟蹤［17］鎖定待測目標(biāo)坐標(biāo)。顯然對于待測目標(biāo)而言，其被甄別機(jī)制列入考察范圍接受甄別定位的機(jī)率顯著增加。

圖4 被甄別率

6 結(jié)語

本文通過分析傳統(tǒng)定位算法運(yùn)用在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度較低且測距偏差較大的模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所表現(xiàn)出來的坐標(biāo)評估誤差和算法適用的局限性，提出了一種基于信任的目標(biāo)甄別機(jī)制。

該機(jī)制首先分析了坐標(biāo)定位偏差導(dǎo)致的影響，再通過建立信任機(jī)制實(shí)施目標(biāo)甄別過程。最后，在NS-2 模擬環(huán)境中構(gòu)建甄別模型來測試甄別機(jī)制。測試結(jié)果表明了該機(jī)制在基于測距偏差的目標(biāo)甄別精度方面表現(xiàn)出了優(yōu)勢，適用于在節(jié)點(diǎn)部署較為隨機(jī)且成本較低的模糊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，具有廣泛的適應(yīng)性。