無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術(shù)

吳楊 孫蔚 夏東盛 封磊

【摘要】本文從算法性能、已有的定位算法、定位算法的分類和WSN節(jié)點定位機制的評價標準等方面，針對無線傳感器的網(wǎng)絡定位技術(shù)進行詳細的分析和探討。并與經(jīng)典的APIT算法、凸規(guī)劃定位算法進行了比較。結(jié)論顯示出在不同的環(huán)境之下不同的算法各有優(yōu)劣，并不能指出最好的算法。實際操作中應該根據(jù)實際的需求來選擇算法，并對未來無限傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術(shù)的發(fā)展方向做出了預測。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器;網(wǎng)絡節(jié)點：定位技術(shù)

前言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是基于微機電系統(tǒng)、數(shù)字電子技術(shù)和無線通信的發(fā)展上所形成的厄一種新型技術(shù)，其主要的核心內(nèi)容包括有網(wǎng)絡通信協(xié)議、節(jié)點定位、時鐘同步覆蓋和布局等等[1]。其中，對于無線傳感器網(wǎng)絡空間探測、目標追蹤和環(huán)境監(jiān)測等功能而言，節(jié)點定位是必不可少的技術(shù)內(nèi)容，同時也是無線傳感器網(wǎng)絡的基礎功能之一。當前，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術(shù)的最新研究方向主要集中在能耗、覆蓋率、節(jié)點密度、定位精度和定位系統(tǒng)的算法優(yōu)勢上，以下將對其進行詳細的描述。

1.定位機制

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的分布是隨機性的，相對能量受到限制且可靠性不足，在有限的距離限制下，這就對于算法的技術(shù)提出了較高的要求。一般而言定位的機制可以分為以下幾個程序：首先是采取AOA、TDOA、TOA和RSSI等測量技術(shù)來獲取鄰居錨節(jié)點的角度和距離，并通過信息的聯(lián)通的估算節(jié)點間的實際距離[2]。然后，通過算法的運算來得出實際的距離值。一般可以采取的計算方式有極大似然估計法、三角測量法和三邊測量法等等。最后，對所得的數(shù)據(jù)進行處理和優(yōu)化。

2.性能指標的評價

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的定位技術(shù)的性能，對其他功能都有著直接性的影響。因此在對其進行評價的方面，我們一般選取以下指標來作為對象和標準。例如，代價、功耗、自適應性和容錯性、覆蓋率、錨節(jié)點密度和定位精度等[3]。都是常用來衡量和評價無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術(shù)性能的指標。

3.無線傳感器網(wǎng)絡定位算法的種類

無線傳感器網(wǎng)絡定位算法的種類多種多樣，一般都沒有固定的標準，往往根據(jù)實際的情況來進行分類和區(qū)分。

3.1 測距定位和非測距定位

第一種采取的是測量兩個節(jié)點之間的方位和距離，根據(jù)做的的具體數(shù)據(jù)來推測兩個節(jié)點之間的大概位置。而第二種方式則無需測量精確的距離，還需要通過測量相對的距離或者位置就可以推算出兩個節(jié)點之間的大概距離，并推算出其大概位置。Range-based定位算法的常用的方式主要有到打攪測距AOA、時間差測距TDOA、到達時間測距TOA和接受信號強度測距RSSI等[4]。

3.2 相對定位和絕對定位

和物理定位基本類似，是絕對定位的特點。定位的結(jié)果通常都可以得到一個精確的位置坐標。與之相對應的相對定位方式，則是利用網(wǎng)絡中已知的定位節(jié)點形成的整體網(wǎng)絡作為基礎，以絕對定位的節(jié)點坐標為對照來定位其余的節(jié)點。這種定位方式的優(yōu)點是不太容易受到節(jié)點移動的影響，在應用的范圍上具有廣闊性。并且在相對定位的基礎上還可以實現(xiàn)一定程度上的路由協(xié)議。這種路由協(xié)議是不需要錨節(jié)點的。

3.3 分布式計算和集中式計算

所謂的分布式計算是指根據(jù)節(jié)點和節(jié)點之間的協(xié)調(diào)和信息交換，任由節(jié)點自由進行計算的一種計算形式;而集中式計算則是指將所需要運算的信息通過節(jié)點傳輸?shù)街行墓?jié)點之后再進行定位計算，最后得到結(jié)果的一種計算方式。

3.4 松散耦合和緊密耦合

松散耦合的定義是指定位系統(tǒng)中的各個錨節(jié)點采取的是不需要中心控制器的協(xié)調(diào)形式和分布狀態(tài)。而緊密耦合是指各個節(jié)點通過固定的形式與中心控制器相連接，并且固定在一定的物理位置上。

3.5 粗粒度和細粒度

細粒度是指可以依據(jù)時間的長短和信息信號的強弱來判斷錨節(jié)點之間的位置。并且還可以分為基于方向測量和距離兩種不同的測量形式。而粗粒度是指依據(jù)錨節(jié)點之間的接近程度來進行節(jié)點距離的估算和測量。

4.經(jīng)典無線網(wǎng)絡傳感器定位系統(tǒng)算法

怎對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位的經(jīng)典算法有很多種，其中在各種不同的使用環(huán)境下，不同的算法具有不同的優(yōu)點和是適應性，很難說哪一種是最好的，并且由于節(jié)點的數(shù)量上的限制，計算能力和存儲能力的局限性，因此對于算法的要求是盡量的高效簡單的。經(jīng)典的Range-based定位算法從精確度上而言非常不錯，但是由于大部分的系統(tǒng)成本較低，功率較低，因此很難運用這種能耗大，復雜性高的系統(tǒng)。

4.1 APIT算法

該算法的核心思想是將需要定位的節(jié)點周邊的節(jié)點位置信息收集到位，主要是形成三個已知錨節(jié)點形成的三角區(qū)域內(nèi)，位置節(jié)點是否存在其中，并且運算出所有的可能性，最后對未知的節(jié)點進行精確的定位。這種算法的優(yōu)點是具有較小的誤差概率，但是也會有一定的使用缺點那就是對于參考節(jié)點的密度較大，所以如果節(jié)點的密度較低的情況下，不適宜選取這種算法。

4.2 凸規(guī)劃定位算法

這種算法的基礎是來源于網(wǎng)絡的連通性來實現(xiàn)的，通過約束誘導節(jié)點之間兩點的通信連接來作為節(jié)點定位的幾何約束的基礎。這種算法的優(yōu)勢在于將整個網(wǎng)絡模塊化并且形成了一個凸集，從而將節(jié)點定位的問題轉(zhuǎn)換成為了凸約束優(yōu)化的問題來解決。

5.小結(jié)

文章中，針對經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點技術(shù)的算法進行了簡答的比較和分析，并對定位的算法分類、評價的標準和性能評估都做了一定闡述，比較了算法之間的優(yōu)勢?？偠灾?，在不同的測試環(huán)境下，不同的算法具有不同的功效，沒有說哪一種算法是最好的，因此具體采取哪種算法應該根據(jù)實際的運用需求來進行實際分析。

參考文獻

[1]王梓有，周憲英.無線傳感器網(wǎng)絡中AOA節(jié)點定位改進算法研究[J].電子設計工程.2012（13）.

[2]劉世森，湯朝明，吳畏.無線傳感器網(wǎng)絡中的TOA測距方法研究[J].工礦自動化.2012（03）.

[3]劉影，錢志鴻，王雪，李奕男.基于到達時間差的無線傳感器網(wǎng)絡質(zhì)心定位算法[J].吉林大學學報（工學版）.2010（01）.

[4]孫妍，陶正蘇，陳德富.基于無線傳感器網(wǎng)絡的室內(nèi)精確定位算法[J].傳感器與微系統(tǒng).2009（05）.

注：基金編號：zk13-37。