無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)綜述

劉潔琳 沈陽理工大學(xué)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)綜述

劉潔琳 沈陽理工大學(xué)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量的節(jié)點組成，已知這些節(jié)點的位置信息是對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測和控制的前提。因此，定位技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著非常重要的作用。本文首先介紹了WSN節(jié)點定位技術(shù)的分類，其次簡明介紹了節(jié)點定位技術(shù)的原理，最后分析了目前定位技術(shù)的不足之處以及未來可能的發(fā)展趨勢。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點定位 定位技術(shù)

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，它包含大量具有感知能力、計算能力和通信能力的傳感器節(jié)點。定位技術(shù)是WSN應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當前研究的熱點。目前，根據(jù)不同的定位方法定位算法分為兩大類：基于測距算法（range-based）和非測距算法（range-free）。基于測距的定位算法對系統(tǒng)的硬件有很高的要求，其主要利用超聲波和無線電等信號計算出節(jié)點間的角度或信號強度等信息來計算節(jié)點間的距離，從而計算位置節(jié)點的位置坐標?，F(xiàn)有的測距技術(shù)有RSSI、TDOA、TOA、AOA等?；诜菧y距的定位方法主要利用所有節(jié)點間的連通性和參考節(jié)點的坐標來計算未知節(jié)點坐標。現(xiàn)有的非測距技術(shù)有質(zhì)心法、APIT、凸規(guī)劃、Dv-Hop等。

2 節(jié)點定位技術(shù)

2.1 基于測距的定位方法

SI信號強度法（

Signal Strength Indication，RSSI）定位的原理是：在已知節(jié)點發(fā)送功率的前提下，對接收功率進行測量和記錄，結(jié)合當前實際環(huán)境，選取適當?shù)膮?shù)值，使用信號傳播模型計算傳播損耗并轉(zhuǎn)換為距離值，從而得出節(jié)點間的距離。目前常用的無線信號傳播模型有三種：自由空間傳播模型、對數(shù)距離損耗模型和Shadowing模型。

（2）AOA到達角度法（Angle of Arrival，AOA）定位的原理是：首先未知節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)射無線信號，根據(jù)參考節(jié)點上的天線測定的信號到達角度可以確定節(jié)點之間的夾角，最后利用幾何解析式計算出未知節(jié)點的坐標。

（3）TOA到達時間法（Time of Arrival，TOA）定位的原理是：利用“速度—時間”距離公式，通過測量未知節(jié)點與至少3個參考節(jié)點之間的信號傳播時間，并將傳播時間乘以信號傳播速度，最終得到未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離。TOA要求未知節(jié)點和參考節(jié)點之間有很高精度的時鐘同步。假設(shè)通過測量方式記錄到未知節(jié)點O（x0,y0）與各參考節(jié)點A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x0,y0）之間信號傳播時間分別為t1、t2、t3，設(shè)信號傳播的速度為c，分別以A、B、C為圓心，ct1、ct2、ct3為半徑作圓，各個圓的交點就是未知節(jié)點的坐標位置。

（4）TDOA到達時間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）的定位通常由兩種實現(xiàn)方法。一種是當未知節(jié)點接收到來自同一個參考節(jié)點發(fā)送的兩種不同無線信號時，記錄兩種信號的到達時間，再根據(jù)兩種信號不同的傳播速度，利用距離公式計算出未知節(jié)點到參考節(jié)點間的距離。

另一種實現(xiàn)方式是未知節(jié)點O（x0,y0）同時向參考節(jié)點A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x3,y3）發(fā)送同一種信號，由于未知節(jié)點和兩個參考節(jié)點之間的距離不同，所以信號達到參考節(jié)點的時間不同，已知信號傳輸?shù)乃俣葀和信號到達時間差△t，可以確定O在以參考節(jié)點為焦點、距離差為VX△t的雙曲線上。通過測量至少三個參考節(jié)點之間的信號到達時間差△t就可以構(gòu)成一組關(guān)于未知節(jié)點位置坐標的雙曲線方程組，求解雙曲線方程組就可以得到未知節(jié)點O的估計位置。

2.2 基于非測距的定位方法

（1）質(zhì)心法

質(zhì)心法是一種只涉及到網(wǎng)絡(luò)連通度的定位算法。該算法的原理是：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中篩選出能與未知節(jié)點通信的所有參考節(jié)點，以這些參考節(jié)點為頂點，構(gòu)建一個多邊形區(qū)域，此多邊形的幾何質(zhì)心即為該未知節(jié)點的估計位置。

（2）APIT

APIT的原理是：將傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有可以與未知節(jié)點通信的參考節(jié)點挑選出來，把這些節(jié)點以的方式組成若干個三角形，遍歷所有參考節(jié)點，將最終確定區(qū)域的重心作為未知節(jié)點的坐標值。

（3）凸規(guī)劃

凸規(guī)劃算法的原理是：首先確保未知節(jié)點在三個參考節(jié)點的通信范圍內(nèi)，然后以參考節(jié)點為圓心、通信長度為半徑分別作三個圓，其次對三個圓的重疊區(qū)域采用線性規(guī)劃和半規(guī)劃法可得出一個矩形，最終選取矩形的質(zhì)心為此節(jié)點的位置。

（4）Dv-Hop

Dv-Hop算法的原理是：首先獲取WSN中所有節(jié)點的平均一跳距離，用此距離與節(jié)點之間的跳數(shù)相乘，由此得到未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離值，最后利用三角定位的方法計算未知節(jié)點的坐標信息。

3 總結(jié)

近年來，WSN定位技術(shù)取得了很大的成果，但仍有一些共性問題需要解決精度問題；能耗和成本問題；未知環(huán)境的定位問題等。WSN定位技術(shù)是當前熱門研究領(lǐng)域，未來的研究可能需要：提出新的定位方法；使用新的無線介質(zhì)以及多技術(shù)融合；對移動節(jié)點和三維空間的定位研究等。

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劉潔琳（1992—），女，漢族，河北石家莊市人，工學(xué)碩士，單位：沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院計算機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，研究方向：系統(tǒng)監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。