摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、能量有限、可靠性差、隨機(jī)部署，無線模塊的通信距離有限，雖然運(yùn)用全球定位系統(tǒng)是個很好的選擇，但是其體積大、成本高、能耗多而且需要基礎(chǔ)設(shè)施，不適用于低成本、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過研究發(fā)現(xiàn)，基于信號幅度衰減測距的水下定位方法不僅能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的要求，而且其成本較低，易理解及操作，精度高。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；信號；衰減測距；水下定位

0 引言
    節(jié)點(diǎn)定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中非常重要，傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其位置信息才有意義，節(jié)點(diǎn)的定位還可以在外部目標(biāo)的定位和追蹤以及提高路由效率等方面發(fā)揮作用。節(jié)點(diǎn)定位在整個傳感器網(wǎng)絡(luò)中占有重要的地位，在事件觀測、目標(biāo)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面都是不可缺少的環(huán)節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題可分為兩類，一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對自身傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標(biāo)的定位，如目標(biāo)跟蹤問題。本文主要討論節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)。
    傳感器節(jié)點(diǎn)通常隨機(jī)部署，以自組織的方式相互協(xié)調(diào)工作，定位必須在部署后完成。全球定位系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng)，但是其體積大、成本高、能耗多和需要基礎(chǔ)設(shè)施，不適用于低成本、自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)配備來確定自身位置，作為其他節(jié)點(diǎn)定位的參考。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、能量有限、可靠性差、隨機(jī)部署、無線模塊的通信距離有限，這通常要求定位機(jī)制具備自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等特點(diǎn)。
    在基于以上要求的前提下，基于信號幅度衰減測距的定位方法能夠很好地滿足上面的要求。由于網(wǎng)絡(luò)模型是在水下環(huán)境中，定位問題還應(yīng)該考慮到水下通信的特殊性和環(huán)境帶來的影響，一些適用在陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法不在適用于水下環(huán)境，同時為減少開銷盡可能少地使用具有GPS功能的節(jié)點(diǎn)。

1 基于信號幅度衰減測距的水下定位方法
    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的測量節(jié)點(diǎn)間距離或角度技術(shù)有RSSI，AOA，TOA及TDOA。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)信號幅度的衰減隨著傳播距離和信號頻率的不同而變化，推導(dǎo)出了距離與頻率和幅度衰減等參數(shù)的公式。
1．1 水聲傳播的損失計算
    根據(jù)水聲原理，可以得到水聲傳播損失的公式如下：
    (1)對于淺海表面聲道：

    (2)對于深海聲道：
    傳播損失公式如下：

1．2 基于信號幅度衰減的測距定位方法
    以淺海遠(yuǎn)距離聲道為例描述定位方法，如圖1所示。

    圖中：Us為發(fā)送端電信號；換能器的電聲效率有其頻率響應(yīng)曲線；k，t為比例系數(shù)；Ps為發(fā)送端換能器將電信號轉(zhuǎn)換為的聲波信號的幅度，即聲壓；聲波經(jīng)傳輸后有傳播損失，即聲壓級的降低；Pr為衰減后接收端處聲波信號的幅度；換能器的靈敏度Mu=u／p，u為換能器接收的輸出電壓，p為聲波信號的聲壓，當(dāng)然，靈敏度也有其頻率響應(yīng)曲線；Ur為聲波經(jīng)接收端換能器轉(zhuǎn)換后的電信號幅度。
    電信號與聲波信號關(guān)系的具體公式如下：
    發(fā)送端電信號轉(zhuǎn)換為聲信號公式為：
   
    接收端聲信號轉(zhuǎn)換為電信號公式為：
    Mu=Ur／Pr      (5)
    可以將距離表示為關(guān)于頻率和幅度衰減的函數(shù)，下面進(jìn)行具體的運(yùn)算，式(4)和式(5)代表頻率分別為f1，f2的兩個信號經(jīng)過圖1所示流程：
   
    其中：將[(α1+αL1)-(α2+αL2)]記為α(f1，f2)，在最大反轉(zhuǎn)距離H，水溫t，海況級數(shù)n確定以后，α(f1，f2)就是關(guān)于f1，f2的函數(shù)；然后再將發(fā)送接收端電聲轉(zhuǎn)換公式代入，可以得到：


2 方法的分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計
2．1 信號轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的流程
    下面從信號處理的角度來分析本文方法的具體實(shí)現(xiàn)。本文所用的柱狀換能器共有4個頻帶，每個頻帶有16個頻點(diǎn)，頻率由低到高依次代表了0000到1111共16個二進(jìn)制數(shù)，換能器一次發(fā)送4個4位二進(jìn)制數(shù)，共16位。信號轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的流程如圖2所示。

    整個過程信號傳輸和變換的流程如下：
    分別來自這4個頻帶的4個代表了二進(jìn)制數(shù)的信號疊加后由換能器發(fā)送，發(fā)送端換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，接收端換能器再將經(jīng)過衰減的聲信號轉(zhuǎn)換回電信號，這時電信號經(jīng)過前置低通濾波器、A／D轉(zhuǎn)換、加窗處理變換為可以由數(shù)字濾波器或計算機(jī)處理的有限長離散序列，此時可得出信號的頻譜。這時在頻譜中可以得出信號幅度的極值點(diǎn)，而極值點(diǎn)對應(yīng)的頻點(diǎn)就代表了傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在利用幅度的衰減來進(jìn)行定位，所以對傳送的具體的二進(jìn)制數(shù)據(jù)可不必詳細(xì)追究，主要關(guān)注信號的頻率和接收端信號的幅度。
2．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計
    本節(jié)設(shè)計了一個基于換能器的海上試驗(yàn)，檢驗(yàn)利用上述方法得到的節(jié)點(diǎn)之間的距離與實(shí)際距離是否相同或接近。
    首先按設(shè)定的距離(記為R)布置好換能器，然后根據(jù)深海淺海、遠(yuǎn)近距離找到與此對應(yīng)的公式，例如淺海遠(yuǎn)距離：
   
    式中：部分為換能器本身的參數(shù)，可從生產(chǎn)廠家得知部分為信號幅度比，可以從發(fā)送接收端得到；α(f1，f2)部分中f1，f2是已知的，而t，n，H可通過現(xiàn)場測量考察得到。利用該公式求得一個距離r，和實(shí)際距離R比較，以檢驗(yàn)本文方法是否準(zhǔn)確。

3 結(jié)語
    水下定位是水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點(diǎn)問題，針對水下的情況，通過研究水下聲波傳輸過程特點(diǎn)進(jìn)而推出節(jié)點(diǎn)之間的距離來進(jìn)行定位?；?strong>信號幅度衰減測距的水下定位方法不僅能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的要求，而且其成本較低，易理解及操作，精度高，可用于實(shí)際應(yīng)用中。
    隨著技術(shù)發(fā)展，水下節(jié)點(diǎn)的能量問題可能會因電池能夠長久供電而變成次要問題，由此引起了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連通性、定位、路由等問題的重新分析與設(shè)計，新目標(biāo)的引入必將推動該領(lǐng)域新的發(fā)展。