摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點規(guī)模大、能量有限、可靠性差、隨機部署，無線模塊的通信距離有限，雖然運用全球定位系統(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)點定位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用中非常重要，傳感器節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)必須結(jié)合其位置信息才有意義，節(jié)點的定位還可以在外部目標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)點的定位，另一類是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對外部目標的定位，如目標跟蹤問題。本文主要討論節(jié)點自定位技術(shù)。
    傳感器節(jié)點通常隨機部署，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)點配備來確定自身位置，作為其他節(jié)點定位的參考。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點規(guī)模大、能量有限、可靠性差、隨機部署、無線模塊的通信距離有限，這通常要求定位機制具備自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等特點。
    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。

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，當然，靈敏度也有其頻率響應曲線；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)，下面進行具體的運算，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 方法的分析和實驗設(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，頻率由低到高依次代表了0000到1111共16個二進制數(shù)，換能器一次發(fā)送4個4位二進制數(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，而極值點對應的頻點就代表了傳送的二進制數(shù)據(jù)。現(xiàn)在利用幅度的衰減來進行定位，所以對傳送的具體的二進制數(shù)據(jù)可不必詳細追究，主要關(guān)注信號的頻率和接收端信號的幅度。
2．2 實驗設(shè)計
    本節(jié)設(shè)計了一個基于換能器的海上試驗，檢驗利用上述方法得到的節(jié)點之間的距離與實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、遠近距離找到與此對應的公式，例如淺海遠距離：
   
    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，和實際距離R比較，以檢驗本文方法是否準確。

3 結(jié)語
    水下定位是水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點問題，針對水下的情況，通過研究水下聲波傳輸過程特點進而推出節(jié)點之間的距離來進行定位?；?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，可用于實際應用中。
    隨著技術(shù)發(fā)展，水下節(jié)點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，新目標的引入必將推動該領(lǐng)域新的發(fā)展。