房鑫平孫福陽李安瑩

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是由大量的成本低、功耗少、體積微小，計算、存儲和通信能力有限的無線傳感器節(jié)點，構成的自組織網(wǎng)絡。在科研、軍事、民生等方面具有廣泛的應用前景。節(jié)點自定位技術就是網(wǎng)絡中的普通節(jié)點，按照某種定位機制確定自身的地理位置的技術。該技術是WSN中網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡應用基礎，因此對WSN起著關鍵作用。

從是否需要測量實際物理量的角度出發(fā)，目前在WSN中常見的定位技術可分為：距離無關（Range-free）的定位技術和基于測距（Range-based）的定位技術。

距離無關的自定位技術主要包括：質(zhì)心法、APIT 法、DV-HOP法、Bounding Box 法等。該類定位技術不需要測量節(jié)點之間的絕對距離和方向等實際物理量，這樣就大大降低了對節(jié)點硬件結(jié)構的要求。此類技術具有計算復雜度低、實現(xiàn)簡單、通信過程簡易等優(yōu)點。存在定位精度有限，誤差較大，一般無法適用于對精度有較高要求的場景的缺點。

基于測距的自定位技術主要有：RSSI、AOA、TDOA、TOF等。該類技術主要是通過獲取具體量化的物理量進行定位，具有能夠?qū)崿F(xiàn)較精確地定位，適用面較廣，幾乎可以在各種場景中使用的優(yōu)點。存在計算復雜度較高，通信量大，對節(jié)點的硬件配置有一定要求等缺點。相比較于距離無關的定位技術，基于測距的自定位技術定位精度高，擁有廣泛的適用范圍，故而本文重點討論基于測距的定位技術。

2 常見的WSN節(jié)點間測距技術

目前，常見的基于測距的WSN自定位技術主要包括：RSSI、TDOA、AOA、TOF等。其中TOF技術主要包括：TOA、TW-TOA和SDS-TW-TOA等。在實際應用中，可以根據(jù)具體要求選取合適的技術。

2.1 基于接收信號強度RSSI

RSSI技術主要是通過獲取信號在空氣中傳播的能量衰減，根據(jù)無線信號的傳播路徑損耗模型來計算出節(jié)點之間的距離。該測距技術的優(yōu)點為不需要新增額外的硬件，故而測距成本不高，適用于低精度定位系統(tǒng)。缺點是傳播路徑損耗模型是數(shù)學上的理想模型，在實際測距時易受到周圍環(huán)境的影響，造成較大的誤差。

2.2 基于到達時間差TDOA

在TDOA技術中，發(fā)射節(jié)點發(fā)射不同傳播速度的信號，接收節(jié)點根據(jù)不同信號的到達時間和信號的不同速度，計算出兩個節(jié)點之間的距離。該技術的優(yōu)點是測距精度高、通信過程簡易。該技術的缺點在于需要發(fā)射兩種不同的信號，因此需要節(jié)點添加額外的發(fā)射和接收設備，這導致該技術成本相對較高。

2.3 基于到達時間TOA

信號在空氣中傳播的速度v是常量，TOA測距技術根據(jù)信號在節(jié)點之間傳輸時間t和信號速度v計算出兩節(jié)點之間的距離。TOA測距技術具有計算量小、通信過程簡單、測距精度很高的優(yōu)點。缺點為該技術要求節(jié)點之間有著嚴格的時鐘同步，這需要額外的輔助設施或者復雜、昂貴的硬件支持。高成本限制了該技術在WSN中的應用。

2.4 基于到達角度AOA

AOA技術通過陣列天線或多模接收器等獲取待測節(jié)點和兩個錨節(jié)點的方位和夾角。該技術的優(yōu)點是可以提供節(jié)點的方位信息，故而需要較少的錨節(jié)點數(shù)量即可完成定位任務。缺點在于該技術需額外為節(jié)點裝備天線陣列或多模接收器等部件，這將增大傳感器節(jié)點的體積和整個網(wǎng)絡的成本。

2.5 TW-TOA測距方法

該技術通過記錄數(shù)據(jù)包在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間往返的時間，計算得出兩個節(jié)點的距離。TW-TOA具有不需要增加額外的硬件或輔助設施，就可以獲得較高的測距精度，比較適合WSN網(wǎng)絡節(jié)點測距的優(yōu)點。TW-TOA測距技術的誤差主要來自節(jié)點時鐘與標準時鐘間的時鐘偏移。缺點為相比于其他測距方式通信量偏大。

2.6 SDS-TW-TOA測距方法

SDS-TW-TOA是對TW-TOA測距法的擴展。第一階段，節(jié)點i發(fā)起測距；第二階段，節(jié)點j發(fā)起測距。每一個階段過程都和TW-TOA測距法一樣。該技術的優(yōu)點是可以大大降低時鐘偏差對節(jié)點測距的影響，測距精度很高。缺點為測距過程繁瑣，需要更多的時間和能耗。

結(jié)語

近年來，WSN節(jié)點自定位的相關技術在理論研究和實際應用中取得一定成果的同時，仍然存在一些問題需要解決：

（1）各種定位技術多數(shù)有其適用的范圍，通用性不高；

（2）對實際應用中可能存在的各種情況適應性不足；

（3）對潛在的三維應用前景的研究不足。

鑒于WSN自定位技術的發(fā)展情況，筆者認為未來的研究熱點為：

（1）現(xiàn)有定位技術的融合，以實現(xiàn)更加合理和通用的定位；

（2）可以適應不同實際環(huán)境的節(jié)點自定位技術；

（3）針對WSN中移動節(jié)點的自適應定位；

（4）針對節(jié)點的三維定位技術。

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