基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)分析

羅蘭花

（賀州學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，廣西 賀州 542800）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)等多項發(fā)展成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、城市管理、醫(yī)療衛(wèi)生、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。

傳感器技術(shù)已被認(rèn)為是改變未來世界的十大技術(shù)之一，2006年初，國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》指出，傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理是信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)前沿技術(shù)。國家對傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持進(jìn)一步刺激了國內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展。

一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有資源有限、節(jié)點(diǎn)能量有限、自組性、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、規(guī)模大、分布式控制、多跳路由等特點(diǎn)，意味著選取定位技術(shù)時應(yīng)考慮這些特點(diǎn)并做出權(quán)衡。

1 定位技術(shù)現(xiàn)狀

定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)，也是該領(lǐng)域備受關(guān)注的難題。節(jié)點(diǎn)必需知道自己的位置然后感知數(shù)據(jù)、傳回數(shù)據(jù)并在中央處理器進(jìn)行分析處理。沒有位置信息的測量數(shù)據(jù)毫無意義，節(jié)點(diǎn)位置的確定還有利于安全路由、拓?fù)淇刂频绕渌ぷ鞯恼归_。無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(anchor node,beacon node)和普通節(jié)點(diǎn)(sensor node,unknown node)兩類，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也稱為錨節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是通過GPS接收裝置獲取或人為安裝在指定地點(diǎn)；普通節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式加入網(wǎng)絡(luò)而不知道自己的位置信息，大部分節(jié)點(diǎn)均為普通節(jié)點(diǎn)，這主要受成本、能量消耗以及應(yīng)用環(huán)境等限制。節(jié)點(diǎn)定位就是借助少數(shù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的輔助，通過鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離、角度、拓?fù)潢P(guān)系等估算未知節(jié)點(diǎn)的位置的技術(shù)。

定位技術(shù)按是否使用距離信息可以分為基于距離的定位方法和距離無關(guān)的定位方法兩類。目前常用的基于距離的定位方法根據(jù)測量對象的不同分為四類：基于信號強(qiáng)度、基于傳輸時間、基于傳輸時間差和基于到達(dá)角度的定位方法。距離無關(guān)的定位方法則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和跳數(shù)等進(jìn)行定位。

2 存在的問題和困難

2.1 測量誤差

目前常用的測距方法包括四種：GPS、基于RSSI測距、紅外線和超聲波測距。GPS需要硬件輔助，成本高，體積較大，精度低于10m左右；紅外線測距方法也需要硬件的輔助，精度較低；超聲波精度高，但成本昂貴；基于RSSI測距以不需要硬件支持，成本低，節(jié)點(diǎn)尺寸小，定位精度能滿足大部分應(yīng)用要求等優(yōu)勢而受歡迎，但測量誤差可能較大，如何減少誤差是其需要解決的問題。

2.2 稀疏信標(biāo)節(jié)點(diǎn)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置通常是由GPS接收裝置獲得或人為安裝在指定位置。對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)而言，人為安裝不現(xiàn)實(shí)；而在所有節(jié)點(diǎn)都安裝GPS接收裝置也不實(shí)際，不僅硬件成本無法滿足，GPS也會受到應(yīng)用環(huán)境限制。所以，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常只有小部分節(jié)點(diǎn)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)的鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)不足無法進(jìn)行基本的三邊測量定位。所以，稀疏信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也是定位技術(shù)面臨的困難。

2.3 節(jié)能

傳感器節(jié)點(diǎn)依靠電池供電故能量有限。另外節(jié)點(diǎn)資源有限，這使得節(jié)點(diǎn)計算能力、內(nèi)存、通信能力受限制。因此，節(jié)能也是定位技術(shù)需要權(quán)衡的問題。

2.4 定位時間

定位精度在廣大學(xué)者的研究下取得了很大的進(jìn)展，但多以犧牲計算工作量為前提，導(dǎo)致定位時間較長，所以，定位時間是需要關(guān)心的問題。

3 典型的定位算法分析

評價一個定位技術(shù)的好壞，可以通過平均定位誤差、完成定位節(jié)點(diǎn)占待定位節(jié)點(diǎn)的比例、定位復(fù)雜度、定位時間、通信開銷、能量開銷和硬件需求等。這些指標(biāo)不僅可以作為定位技術(shù)的評價，通過逆向思維可知也是定位技術(shù)改進(jìn)的方面。

3.1 基于距離的定位算法分析

基于接受信號強(qiáng)度RSSI定位算法的基本思想是通過發(fā)送射頻信息（Radio Frequency，RF），接收濾波器根據(jù)接收到的信號強(qiáng)弱，由信號傳播衰減模型來測算信號點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離。該算法容易實(shí)現(xiàn)、硬件要求低、成本和能耗低，但由于噪聲、多徑效應(yīng)、非視距以及信號傳播損耗模型與實(shí)際環(huán)境的匹配問題，易導(dǎo)致平均定位誤差較大?？梢愿倪M(jìn)的方面有優(yōu)化傳播損耗模型、減少測距誤差，提高測距的適應(yīng)能力等。

基于信號傳輸距離（TOA）定位算法基本思想根據(jù)無線信號的傳播速度和信號在兩個節(jié)點(diǎn)之間傳播的時間來測定信號點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離。該算法測量精度較高，但要求發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間嚴(yán)格的時間同步，硬件需求高，能量和成本開銷大。

基于信號傳輸時間差（TDOA）定位算法的基本思想是使用兩種不同傳播速度的無線信號在發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的傳播時間差來測定信號點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離。兩種信號一般采用射頻信號和超聲波信號。該算法測距精度高于TOA，時間同步要求比TOA低，硬件需求高，能量和成本開銷大。

3.2 距離無關(guān)的定位算法分析

DV-Hop定位算法的的基本思想與基于測距算法相似[2]。首先信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播一個信標(biāo)，信標(biāo)中包含此信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息和初始值為1的表示跳數(shù)的參數(shù)。然后將信標(biāo)以泛洪方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播，每被轉(zhuǎn)一次跳數(shù)增1。接收節(jié)點(diǎn)保留它收到的同一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最小跳數(shù)值，其他更大的跳數(shù)值丟棄。這樣，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都獲得了其它信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值（其中包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值及位置信息），因此，可以根據(jù)位置信息獲得信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離，再根據(jù)跳數(shù)值估算節(jié)點(diǎn)到三個以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估算距離，然后用三邊測量法計算節(jié)點(diǎn)的位置。圖3為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B跳數(shù)值的示意圖。

圖3 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)B跳數(shù)值

DV-HOP算法不需要額外硬件的支持，能量開銷小，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，無須無線電波信號，因此沒有信號傳輸距離的約束；但存在定位精度不高、定位初期獲得最小跳數(shù)的時間較長?？梢愿倪M(jìn)的方向減少誤差、提高定位速度。

MDS-MAP定位算法[3]是將統(tǒng)計方法多維標(biāo)度分析技術(shù)（MDS）運(yùn)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位上。該算法首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間的測量距離構(gòu)造連接圖，同時為圖中每一條邊賦值；如果兩節(jié)點(diǎn)之間的距離可以測量到，則該測量距離值作為連接圖中的邊的值；如果僅知道兩節(jié)點(diǎn)之間的連通性，則利用最短路徑法估算得到兩節(jié)點(diǎn)間的距離。然后采用MDS算法估算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)之間的相對位置，構(gòu)造MDS地圖。最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的若干信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和MDS地圖中對應(yīng)的相對位置關(guān)系，找出一個可以將相對位置轉(zhuǎn)換為絕對位置的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用所找到的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系將節(jié)點(diǎn)的相對位置轉(zhuǎn)換為絕對位置。

MDS-MAP定位算法與DV-Hop算法不同的是，即可用在基于距離的定位方法中，也可以用于距離無關(guān)的定位方法中。該算法硬件需求低，能量開銷小，而且只需少量信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，定位精度不高，定位時間較長?？梢愿倪M(jìn)的方向減少誤差，降低定位復(fù)雜度。

4 小結(jié)

綜上所述，定位方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，通過對幾種典型常用的定位算法進(jìn)行分析和性能評價發(fā)現(xiàn)，算法在計算精度、定位時間和開銷等方面還有很大的提升空間，同時指出了算法的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)的方向，下一步的研究工作將對基于接收信號強(qiáng)度RSSI定位算法和DV-Hop定位算法優(yōu)化并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

［1］張松濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題研究[D].華中科技大學(xué),2010，5.

［2］羅維，姜秀柱，盛蒙蒙.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇性DV Hop定位算法[[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（24103）:71-737.

［3］于慧霞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究[D].南京郵電大學(xué)，2012，3.

［4］劉文遠(yuǎn)，土恩爽，陳子軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中DV-Hop定位算法的改進(jìn)[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2011，3206:1071-1074.

［5］羅坤，王建新，趙湘寧.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地理路由算法綜述[J].計算機(jī)科學(xué)，2008，l.

［6］于明，陳曉群，何繼愛.基于RSSI測距的無線網(wǎng)絡(luò)定位算法研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2013，6:109-111.