移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位算法的性能評(píng)測(cè)與探究

李爭(zhēng)平 秦朝亮 馬禮 張永梅

【摘要】 目前，科研領(lǐng)域內(nèi)執(zhí)行大規(guī)模的追蹤和檢測(cè)任務(wù)都會(huì)用到移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，其為一種全新的信息獲得和處理技術(shù)，主要技術(shù)原理是基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位算法。對(duì)此，本文首先介紹了評(píng)價(jià)定位算法優(yōu)良的多個(gè)指標(biāo)，然后針對(duì)MCL算法對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要的性能評(píng)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】 移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò) 定位算法 MCL算法 性能評(píng)測(cè)

為了解決節(jié)點(diǎn)的具體位置信息，人們已經(jīng)提出了多種定位算法，在這些算法中，節(jié)點(diǎn)相互之間的位置是有聯(lián)系的，所以可以通過(guò)已定位節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算出與之相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。

一、移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中定位算法的評(píng)測(cè)指標(biāo)

定位算法是移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，其性能將直接影響到移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作質(zhì)量，所以如何去評(píng)價(jià)一個(gè)定位算法的性能便顯得尤其重要。筆者在下文中就以移動(dòng)傳感器的工作屬性為依據(jù)，并列舉部分評(píng)測(cè)定位算法的相關(guān)指標(biāo)。

定位的精度。其是指所提供的位置信息的精確程度，這是定位方法中最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要可分為相對(duì)精度（以百分比定義的精度）和絕對(duì)精度（以長(zhǎng)度為單位度量所得的精度）兩種。

信息刷新速度。如果信息的刷新速度較慢，那么對(duì)于移動(dòng)的物體來(lái)講，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)所顯示的位置信息嚴(yán)重滯后于物體真實(shí)位置信息的狀況。

耗能。移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)一般都是使用一次性的微型電池，該電池能量較為有限，因此在定位精度達(dá)到一定要求的前提下，定位計(jì)算所需的計(jì)算量耗能、通信以及存儲(chǔ)耗能等都可以作為定位算法的測(cè)評(píng)指標(biāo)。

代價(jià)。主要包括空間、時(shí)間等各種“硬件”及“軟件”代價(jià)。

容錯(cuò)性。由于意外情況的發(fā)生使得數(shù)據(jù)丟失，定位算法可以將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)，糾正已發(fā)生的錯(cuò)誤，并降低各種誤差所帶來(lái)的影響以提高定位的精度。

已定位節(jié)點(diǎn)的密度。是指已定位節(jié)點(diǎn)所占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比例，該密度越大，定位的精度越高，又因?yàn)橄啾扔诖ㄎ还?jié)點(diǎn)的費(fèi)用，已定位節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用比其高出許多，因此會(huì)增加定位的成本。

安全系數(shù)。因?yàn)橐苿?dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身在定位方面的脆弱性，使得節(jié)點(diǎn)在定位的過(guò)程中存在諸多安全隱患，比如外部的攻擊等。這些攻擊會(huì)使得節(jié)點(diǎn)的定位出現(xiàn)一定的差錯(cuò)，從而破壞檢測(cè)結(jié)果，甚至讓整個(gè)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)失效。因此，節(jié)點(diǎn)定位的安全系數(shù)越高，定位算法越優(yōu)。

二、基于MCL算法的性能評(píng)測(cè)

通過(guò)對(duì)一系列的MCL算法進(jìn)行研究分析之后，筆者可得出了以下兩個(gè)方面的結(jié)論：

（1）在整個(gè)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題，并沒(méi)有一種絕對(duì)的最優(yōu)算法，在不同的運(yùn)行環(huán)境下，所選擇的最優(yōu)算法可能是不同的。 但是每一種定位算法所追求的目標(biāo)都是大致相同的，比如降低網(wǎng)絡(luò)能耗與成本，提高安全系數(shù)，追求以最少的已定位節(jié)點(diǎn)數(shù)，來(lái)達(dá)到較高的定位精度。

（2）現(xiàn)有的定位算法都是建立在隨機(jī)路點(diǎn)的移動(dòng)模型基礎(chǔ)之上，該種定位算法是從蒙特卡羅算法演變而來(lái)。從現(xiàn)有的研究實(shí)驗(yàn)分析來(lái)看，系列MCL定位算法本身仍然存在諸多問(wèn)題，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，MCL系列算法采樣效率較低，因?yàn)闉榱私鉀Q待定位節(jié)點(diǎn)的概率分布問(wèn)題，需要采用大量的加權(quán)粒子，而如何正確尋找到這些粒子，需要很大的計(jì)算量。

第二，當(dāng)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中已定位節(jié)點(diǎn)的密度不大于1時(shí)，該密度的減小可能會(huì)導(dǎo)致MCL系列算法的定位精度急劇降低。在該種情況下，想要提高算法的定位精度，可以通過(guò)減小測(cè)距誤差以及降低無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)哪芎谋鹊姆椒ā?/p>

第三，MCL系列算法進(jìn)行濾波的方式僅僅采用了已定位節(jié)點(diǎn)的信息，對(duì)此進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)的方法主要通過(guò)限制所選樣本的采樣范圍，并利用樣本位置的估計(jì)精度相比于普通相鄰節(jié)點(diǎn)位置較優(yōu)這一特征來(lái)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)作定位。

第四，MCL系列算法并沒(méi)有對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)，所謂運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)問(wèn)題，是指利用節(jié)點(diǎn)之前的位置信息來(lái)預(yù)測(cè)即將表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)軌跡以提高定位精度。

第五，地理位置的不確定性，因?yàn)橐苿?dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境可能位于市區(qū)、沙漠、戰(zhàn)場(chǎng)等惡劣地區(qū)。

第六，MCL系列算法未能將各種定位技術(shù)和定位算法相結(jié)合，要想達(dá)到理想的精度，并且提高其適應(yīng)性，必須把已有的定位技術(shù)和算法相結(jié)合，充分利用各自優(yōu)點(diǎn)，才能獲得最佳的定位效果。

結(jié)語(yǔ)：節(jié)點(diǎn)定位是移動(dòng)傳感器的核心問(wèn)題，合理準(zhǔn)確的定位是保證移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。由于環(huán)境差異的多樣性，以及設(shè)備性能的局限性，在配置定位資源的時(shí)候，應(yīng)該在定位算法、定位精度、計(jì)算與通信代價(jià)、節(jié)點(diǎn)覆蓋率等諸多要求中互相權(quán)衡，以求得最大的定位資源利用效率，因此尋求最合適的定位算法對(duì)于移動(dòng)傳感器的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

參 考 文 獻(xiàn)

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