無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)分析

秦曉琴

摘要：節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的感知、采集和處理監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的事件信息所面臨的首要問(wèn)題，其位置信息的獲取直接影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際中的應(yīng)用。該文結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況，從節(jié)點(diǎn)的定位原理，典型定位算法的具體定位方式和特點(diǎn)，目前定位算法在運(yùn)用中所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)三個(gè)方面對(duì)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位原理；定位算法

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0042-02

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）作為新興物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一，是當(dāng)前信息領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。目前，WSN被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤，如在大型結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、城市交通安全監(jiān)測(cè)和智能家居等領(lǐng)域。然而，在監(jiān)測(cè)區(qū)域很多時(shí)候不僅需要獲取監(jiān)測(cè)的事件信息，更需要知道事件發(fā)生的具體位置，這就使得WSN中節(jié)點(diǎn)自身位置信息變得非常重要，換句話說(shuō)，節(jié)點(diǎn)的定位在很大程度上決定著WSN的應(yīng)用前景。本文從以下三個(gè)方面對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行分析：WSN中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是如何進(jìn)行定位的，基于測(cè)距的定位算法和無(wú)需測(cè)距的定位算法分別通過(guò)什么方式進(jìn)行定位以及各自的特點(diǎn)，目前的定位算法所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位原理

基于網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息的獲取狀態(tài)，在WSN的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中節(jié)點(diǎn)主要分為兩類，一類是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，即錨節(jié)點(diǎn)，另一類是未知節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)是已知自己的位置信息且位置固定，由人工部署或配有GPS等導(dǎo)航設(shè)備，成本比一般節(jié)點(diǎn)高，在定位過(guò)程中能量消耗也比較大，所以網(wǎng)絡(luò)中錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較少。未知節(jié)點(diǎn)通常是隨機(jī)分布，不知道自身位置信息，需要進(jìn)行定位。WSN的定位技術(shù)是進(jìn)行其他眾多應(yīng)用的基本前提，目前的定位方法通常包含兩個(gè)部分，一部分是測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度，另一部分是通過(guò)一定的計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。

WSN中的未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第一部分操作其目的是為了獲得與錨節(jié)點(diǎn)之間的直線距離。未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量與鄰近節(jié)點(diǎn)的距離或者角度來(lái)計(jì)算得到與鄰近錨節(jié)點(diǎn)的距離，進(jìn)而獲取到錨節(jié)點(diǎn)的直線距離。在未知節(jié)點(diǎn)獲得大于等于三個(gè)到達(dá)錨節(jié)點(diǎn)的直線距離后進(jìn)行第二部分的具體定位計(jì)算。定位計(jì)算通常采用三邊（角）測(cè)量法或極大似然估計(jì)法等方法進(jìn)行，但由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離測(cè)量會(huì)存在一定誤差，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的計(jì)算坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間產(chǎn)生差異，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常采用最大似然估計(jì)法進(jìn)行定位計(jì)算以此盡可能地減少差異。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)已知位置信息的節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)和到未知節(jié)點(diǎn)M（x，y）的距離分別為（x1，y1）、（x2，y2）、…（xn，yn）， d1、d2、d3、…dn，則存在下列公式（1）：

3 典型的定位算法

根據(jù)WSN中節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程是否需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離將其分為兩類，一類是需要明確網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的精確距離或角度，然后用三邊測(cè)量法或三角形關(guān)系定位的高成本、高定位精度的基于測(cè)距（Range-Based）的定位算法。另一類是不需要額外的節(jié)點(diǎn)硬件支持，直接根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的通信情況來(lái)記錄錨節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)值，然后估算節(jié)點(diǎn)間的距離的定位算法，即基于無(wú)需測(cè)距（Range-Free）的定位算法。兩類定位算法相比較，前者定位精度較高，但在實(shí)際運(yùn)用中受硬件條件、成本和功耗等因素的限制，難以應(yīng)用于功耗和成本較低的領(lǐng)域。后者對(duì)硬件條件沒(méi)有過(guò)高的要求，計(jì)算較簡(jiǎn)單，但由于定位精度不高，其適用范圍有一定的局限性。

3.1 基于測(cè)距的定位算法

基于測(cè)距的定位算法主要是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離或者角度的測(cè)量來(lái)確定未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，而節(jié)點(diǎn)間的距離或者角度測(cè)量需要通過(guò)一定的方式進(jìn)行，目前，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的測(cè)距方法有TOA，TDOA，AOA，RSSI等，各測(cè)距方法的特點(diǎn)如表1所示。

3.2 基于無(wú)需測(cè)距的定位算法

基于無(wú)需測(cè)距的定位算法主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，不需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離，典型的無(wú)需測(cè)距定位算法中有質(zhì)心定位算法[1]、凸規(guī)劃定位算法[2]、DV-Hop定位算法[3]等。

Nirupama Bulusu 等提出的質(zhì)心定位算法的基本原理是每間隔時(shí)間s，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)信號(hào)（包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)及其位置信息），當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得超過(guò)一定數(shù)量的不同信標(biāo)信號(hào)時(shí)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的多邊形質(zhì)心則為定位結(jié)果，該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的依賴較大。針對(duì)質(zhì)心定位算法存在的不足，文獻(xiàn)[4]結(jié)合距離因素對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，既不增加額外硬件設(shè)施又在一定程度上提升了算法的定位精度。文獻(xiàn)[5]在考慮接收信號(hào)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上對(duì)算法的不足進(jìn)行了改進(jìn)，有效地避免了反演誤差，在提高算法精度的同時(shí)還降低了算法的復(fù)雜度和節(jié)點(diǎn)功耗。

Doherty等人提出的凸規(guī)劃定位算法的基本思想是將WSN中節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)通信連接作為一個(gè)凸集進(jìn)行處理，通過(guò)半定規(guī)劃或者線性規(guī)劃等方式對(duì)凸約束進(jìn)行優(yōu)化，從而完成節(jié)點(diǎn)的定位。這種算法的覆蓋面較低，為避免邊緣節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置向網(wǎng)絡(luò)中心偏移，錨節(jié)點(diǎn)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行部署。結(jié)合傳統(tǒng)凸規(guī)劃定位算法的不足，文獻(xiàn)[6]在錨節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)通過(guò)引入最大內(nèi)接圓來(lái)減少無(wú)效區(qū)域，在減少未知節(jié)點(diǎn)定位誤差的同時(shí)又降低了該算法的功耗與開(kāi)銷。

DV-Hop定位算法是由Dragos Niculescu等人提出，該算法主要基于距離矢量路由和GPS定位原理。這種算法不需要進(jìn)行實(shí)際距離的測(cè)量，也不需要其他的硬件條件支持，完全基于網(wǎng)絡(luò)的連通性，在算法的運(yùn)行過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在傳播信息的同時(shí)計(jì)算自己的位置，節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有地位之分。DV-Hop定位算法的執(zhí)行過(guò)程簡(jiǎn)單，但其采用計(jì)算距離（節(jié)點(diǎn)間跳段數(shù)乘以平均每跳距離）代替實(shí)際距離，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間存在很大的誤差，定位精度較差。針對(duì)DV-Hop定位算法存在的定位誤差問(wèn)題，大量學(xué)者圍繞如何精確跳段數(shù)和網(wǎng)絡(luò)平均跳距這兩個(gè)值進(jìn)行了深入研究，如文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)引入通信半徑進(jìn)一步精確記錄節(jié)點(diǎn)間的跳段數(shù)以此優(yōu)化節(jié)點(diǎn)間計(jì)算距離，從而縮小計(jì)算坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的誤差，提高算法的定位準(zhǔn)確度。

綜上所述，基于無(wú)需測(cè)距的定位算法更多的偏向于理論研究，主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通度來(lái)進(jìn)行定位，但是定位精度較低，缺乏實(shí)用性，其性能比較如表2所示：

3.3 當(dāng)前定位算法面臨的主要挑戰(zhàn)

WSN中節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)題是其運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，目前，WSN的定位研究已取得較多成果，但在應(yīng)用中仍面臨許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)有待進(jìn)一步深入分析解決。

（1）定位精度：受硬件條件影響，不同的測(cè)距或測(cè)角技術(shù)具有不同的誤差特征，由此帶來(lái)的測(cè)距誤差會(huì)影響定位精度。同時(shí)，在進(jìn)行定位計(jì)算過(guò)程中造成的誤差也會(huì)影響定位精度。

（2）受能量限制：傳感器節(jié)點(diǎn)依靠電池供電，但由于節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，且網(wǎng)絡(luò)要求自適應(yīng)、自組織地運(yùn)行，這使得節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、內(nèi)存、通信能力等都受到限制，要求節(jié)點(diǎn)間的通信和感知次數(shù)要盡可能的少，定位算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的功耗要很小。因此，能量限制也是定位技術(shù)需要解決的問(wèn)題。

（3）錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目：錨節(jié)點(diǎn)的位置通常是人工布置或由其他定位系統(tǒng)確定。但是對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)或某些人員不易接近的區(qū)域，人工布置不現(xiàn)實(shí)，所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)定位系統(tǒng)確定也不實(shí)際，通常只有小部分節(jié)點(diǎn)為錨節(jié)點(diǎn)，稀疏的錨節(jié)點(diǎn)使得普通節(jié)點(diǎn)位置的確定面臨困難。

（4）實(shí)用性差：基于無(wú)需測(cè)距的定位算法大多數(shù)集中在理論研究，且基本都是在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，會(huì)假設(shè)許多不確定因素，但無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常會(huì)部署在戰(zhàn)場(chǎng)、無(wú)人區(qū)等復(fù)雜地理環(huán)境中，這些不確定因素在實(shí)際中難以滿足，導(dǎo)致算法失去了實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中至關(guān)重要，本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行定位，并在此基礎(chǔ)上比較分析了幾種典型的節(jié)點(diǎn)定位算法，同時(shí)指出現(xiàn)有定位算法存在的一些亟需解決的問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)定位涉及定位精度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、錨節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和功耗以及成本等多個(gè)方面，如何平衡各個(gè)方面的關(guān)系對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問(wèn)題是需要深入分析研究的。

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