無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究

高書強(qiáng) 程章文

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)作為一種新型信息獲取及處理技術(shù)，在一些領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。文章針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的方法和相關(guān)算法進(jìn)行分析，希望可以找出最準(zhǔn)確的定位方式。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)；測距算法

通過對傳感器節(jié)點(diǎn)位置的研究可以分析出路由效率，進(jìn)而保證網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的平衡，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣优渲?，從而提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋的質(zhì)量?？梢?，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各個節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要意義。由于經(jīng)濟(jì)、節(jié)點(diǎn)能量和環(huán)境等因素的影響，在很多時候GPS無法發(fā)揮出應(yīng)有的定位作用，此時就需要依靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定位。

1 WSN定位技術(shù)

1.1 定位方法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）定位指的是針對未知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的確定，主要是采用已知部分的錨節(jié)點(diǎn)，來測量未知節(jié)點(diǎn)和剩余節(jié)點(diǎn)的距離以及跳數(shù)，另外還可以對節(jié)點(diǎn)可能存在的區(qū)域范圍進(jìn)行估計(jì)，同時利用節(jié)點(diǎn)交換時所得出的錨節(jié)點(diǎn)位置，來確定每個節(jié)點(diǎn)的位置[1]。WSN定位技術(shù)的實(shí)際作用就是通過已知節(jié)點(diǎn)和位置，利用傳觀器將節(jié)點(diǎn)分成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、錨點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)已知部分的節(jié)點(diǎn)來確定節(jié)點(diǎn)可能的范圍，實(shí)現(xiàn)對所有節(jié)點(diǎn)的定位。

1.2 定位方法的性能評價標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 定位精度

在對定位技術(shù)進(jìn)行評估時，最主要的評價指標(biāo)就是定位的精準(zhǔn)度，就定位技術(shù)的精確度而言，可以細(xì)分為相對精度和絕對精度。相對精度通常以誤差值和節(jié)點(diǎn)無線射程來表示，誤差值越小則代表精度越好，反之則精度低，這是相對精度的確定依據(jù)。絕對精度指的是測量坐標(biāo)和真實(shí)坐標(biāo)之間存在的偏差，差異越小則絕對精度越高。

1.2.2 規(guī)模

規(guī)模指的是定位系統(tǒng)對區(qū)域空間定位的有效值，即定位系統(tǒng)可以滿足一層建筑、一個房間或者整個樓房的定位，簡單來說就是定位技術(shù)所能達(dá)到的有效范圍。同時對特定的定位目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位操作也是定位方法性能評估的一個關(guān)鍵因素。

1.2.3 錨節(jié)點(diǎn)密度

錨節(jié)點(diǎn)的定位一般是通過人工設(shè)置和GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是采用人工設(shè)置錨節(jié)點(diǎn)時，在一定程度上會受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制，使得網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用性能無法得以擴(kuò)展。而采用GPS定位技術(shù)時，所投入的成本費(fèi)用相對較高，每設(shè)置一個錨節(jié)點(diǎn)就需要高于普通節(jié)點(diǎn)兩倍的價格，定位準(zhǔn)確性與錨點(diǎn)設(shè)置的數(shù)量具有直接聯(lián)系，但當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)值時準(zhǔn)確度將不會發(fā)生變化，為此錨節(jié)點(diǎn)的設(shè)置密度也可作為評價系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2.4 節(jié)點(diǎn)密度

在實(shí)際定位技術(shù)中，節(jié)點(diǎn)密度與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的度密切相關(guān)，在一些定位算法中，節(jié)點(diǎn)密度的變化將會對定位的精確度產(chǎn)生直接影響。而節(jié)點(diǎn)密度的增加會帶來網(wǎng)絡(luò)部署成本費(fèi)用的增加，同時密度較大的節(jié)點(diǎn)在實(shí)際通信過程中也提升產(chǎn)生沖突的概率，致使帶寬受阻，嚴(yán)重影響定位技術(shù)的應(yīng)用效果，為此，將其作為定位方法性能評價系統(tǒng)中的關(guān)鍵內(nèi)容。

1.2.5 容錯性和自適應(yīng)性

定位技術(shù)的方法和算法對網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境和節(jié)點(diǎn)均具有較高的要求，如果網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境不佳或者節(jié)點(diǎn)設(shè)備無法達(dá)到算法條件要求，就會對定位的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。而在實(shí)際應(yīng)用定位技術(shù)的過程中可以發(fā)現(xiàn)，往往需要面臨復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，節(jié)點(diǎn)失效或者節(jié)點(diǎn)精度不高也是較為常見的問題，這類問題會給定位的精確度帶來嚴(yán)重影響。在面臨這類問題時往往采用物理維護(hù)的方式對失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替換或是使用更加高端的手段進(jìn)行定位測量，在實(shí)際開展的過程中遇到很多問題，缺乏一定的可行性。這就要求定位方法需要具備一定的容錯性和自適應(yīng)性，在遇到上述問題時，能夠在系統(tǒng)內(nèi)部完成調(diào)整，確保無線傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證定位的精準(zhǔn)性。

1.2.6 功耗

無線傳感器設(shè)計(jì)中功耗設(shè)計(jì)對其穩(wěn)定運(yùn)行和精準(zhǔn)度均有一定程度的影響。因無線傳感器中的電量有限，只有保證各項(xiàng)定位和計(jì)算功能的功率輸出才能保證在電量耗盡之前完成定位操作。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)無線傳感器的功能和規(guī)律時，需要對功能消耗問題作優(yōu)先考慮，確保電池能源能夠?yàn)樗泄δ芴峁┏渥愕那疤嵯拢瑏硗晟茻o線傳感器的功能結(jié)構(gòu)。

1.2.7 代價

定位方法和算法的代價主要表現(xiàn)在定位所需時間、空間以及成本這3個方面。其中時間代價是指在完成一次系統(tǒng)安裝所需的時間、配置功能所需的時間和定位所需的時間；空間代價是指定位方法和算法在應(yīng)用的過程中所需的基礎(chǔ)設(shè)施和節(jié)點(diǎn)數(shù)量、硬件所占據(jù)的空間；成本代價是指應(yīng)用某個定位方法和算法時所需要的基礎(chǔ)設(shè)施和節(jié)點(diǎn)設(shè)備投入的資金。

2 WSN定位方法

2.1 測距算法

2.1.1 距離測量方法

距離測量方法在時間上又可細(xì)分為信號傳輸時間方法和信號傳輸時間差的方法。其中新高傳輸時間方式是依靠到達(dá)時間（Time of Arrival，TOA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，利用信號傳輸?shù)臅r間來推斷傳播距離。采用TOA技術(shù)的時間算法又可以細(xì)分為單程測距和雙程測距兩種。單程測距指的是單次傳輸?shù)男盘?，而雙程測距指的是信號到達(dá)之后立即返回的信號。對于單程測距而言，需要將各個節(jié)點(diǎn)之間的時間進(jìn)行同步，如時間同步出現(xiàn)誤差會導(dǎo)致定位失準(zhǔn)。而雙程測距則不需要考慮節(jié)點(diǎn)間的時間差問題，但是對本地時間的準(zhǔn)確度要求較高，一旦本地時間出錯還是會給測距準(zhǔn)確性帶來嚴(yán)重影響。到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）測距技術(shù)在信號傳輸時間差方法中的應(yīng)用是通過在各個節(jié)點(diǎn)安裝超聲波收發(fā)器和射頻收發(fā)器，在實(shí)際測距時可以對發(fā)送的超聲波和接收點(diǎn)之間的信號時間差來確定兩點(diǎn)之間的距離。

利用信號到達(dá)角度實(shí)現(xiàn)測距的方法，所采用的是到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）測距技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)需要在各個節(jié)點(diǎn)上安裝天線列才能成功獲取角度信息。而實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境設(shè)置中，節(jié)點(diǎn)的天線通常是全向的，如果不添加硬件設(shè)備和天線陣列，就很難確定信號到達(dá)的方向，為此，該項(xiàng)技術(shù)還需要特定的硬件設(shè)備和天線陣列作為支持。

2.1.2 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法

使用無線傳感器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位時，通過已知節(jié)點(diǎn)獲取到未知節(jié)點(diǎn)和臨近節(jié)點(diǎn)的距離信息和角度信息之后，可以采用以下幾種坐標(biāo)確定方法計(jì)算出最終的定位信息。

（1）三邊測量法。該方法是利用幾何的計(jì)算方式來獲取定位信息的方法，在確定已知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和距離之后，就可以繪制出未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)，采用同種計(jì)算方法可以推算出三維空間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[2]。

（2）三角測量法。該種測量方法同樣是采用幾何的計(jì)算原理。當(dāng)存在3個已知節(jié)點(diǎn)時，可以利用已知節(jié)點(diǎn)的角度來確定錨節(jié)點(diǎn)，再由錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)確定出圓心的位置，此時由已知節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)共同組成3個圓，找出3個圓心的坐標(biāo)和半徑之后，利用三角測量計(jì)算原理，確定圓點(diǎn)坐標(biāo)，即可計(jì)算得出最終的未知節(jié)點(diǎn)。

（3）極大似然估計(jì)法。已知n個點(diǎn)的坐標(biāo)和它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離，列出坐標(biāo)與距離的n個方程式，從第1個方程開始，每個方程均減去最后一個方程，得到n-1個方程組成的線性方程組，最后用最小二乘估計(jì)法可以得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

（4）極小極大定位算法。該種算法是通過對未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)距離的計(jì)算，確定錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)的距離之后，以未知節(jié)點(diǎn)為中心，錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)距離的2倍為邊長，繪制出一個正方形，以此類推，利用全部錨節(jié)點(diǎn)繪制出的正方形重合部分的中心點(diǎn)即為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。而采用此種方式所計(jì)算出的定位信息準(zhǔn)確性與錨節(jié)點(diǎn)的密度息息相關(guān)，錨節(jié)點(diǎn)的密度越大則定位信息準(zhǔn)確性越高。鑒于以上問題，有學(xué)者提出可以對錨節(jié)點(diǎn)的位置信息做出進(jìn)一步精確判斷，以更加細(xì)化的算法提升定位信息的準(zhǔn)確率。

2.2 非測距算法

非測距算法和測距算法之間的主要區(qū)別在于測量對象和計(jì)算方法之間的差異，即非測距算法不是采取直接測量距離的方式，而利用網(wǎng)絡(luò)通信信號來估算距離和坐標(biāo)的方式。因非測距算法多種多樣存在一定的不確定性，我們僅對其中的幾個方法做出簡要分析。

有人用低功耗的算法，它利用錨節(jié)點(diǎn)的連通性來確定坐標(biāo)。未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)是通過計(jì)算無線電范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的質(zhì)心確定的。這種方法簡單但是誤差也較大。

也人提出了近似三角形內(nèi)點(diǎn)測試（Approximate PIT Test，APIT）算法，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)任選3個相鄰錨節(jié)點(diǎn)，使用不同錨節(jié)點(diǎn)組合重復(fù)測試直到窮盡，確定未知節(jié)點(diǎn)是否位于它們所組成的三角形中。最后計(jì)算包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的所有三角形的交集質(zhì)心，并以這一點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，該算法需要較高的錨節(jié)點(diǎn)密度，精確度40%左右。

3 新型WSN定位技術(shù)

3.1 移動錨節(jié)點(diǎn)定位算法

利用移動錨節(jié)點(diǎn)定位可以避免網(wǎng)絡(luò)中多跳和遠(yuǎn)距離傳輸產(chǎn)生的定位誤差，并且可以減少錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的成本[3]。如移動錨節(jié)點(diǎn)（Mobile Beacon Assisted Localization Scheme，MBAL）定位方法，錨節(jié)點(diǎn)在移動過程中隨時更新自身的坐標(biāo)，并廣播位置信息。

3.2 智能定位算法

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和芯片計(jì)算能力的提高，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身的性能也有提升，復(fù)雜算法也可以在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的戶外三維定位，將錨節(jié)點(diǎn)固定在直升機(jī)上通過GPS實(shí)時感知自身位置，采用基于接收的信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）的測距方法，利用粒子濾波定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，該方法不需要任何關(guān)于未知節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)知識，非常適合應(yīng)用于戶外定位。

4 結(jié)語

由于近幾年互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，在實(shí)際應(yīng)用的過程中可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的準(zhǔn)確性會受到很多因素的干擾。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的應(yīng)用也在很大程度上受到了定位準(zhǔn)確性的限制不能快速推廣應(yīng)用。鑒于以上問題，本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的定位方法及評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，進(jìn)一步探討了測距算法和非測距算法的計(jì)算原理，最后對新型WSN定位的算法進(jìn)行闡述，希望可以為提升傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的準(zhǔn)確性做出一些努力。

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