劉潔琳 沈陽理工大學(xué)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)組成，已知這些節(jié)點(diǎn)的位置信息是對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(diǎn)定位技術(shù)的分類，其次簡(jiǎn)明介紹了節(jié)點(diǎn)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(shì)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)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(jì)算能力和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)。定位技術(shù)是WSN應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前，根據(jù)不同的定位方法定位算法分為兩大類：基于測(cè)距算法（range-based）和非測(cè)距算法（range-free）?；跍y(cè)距的定位算法對(duì)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(hào)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的角度或信號(hào)強(qiáng)度等信息來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，從而計(jì)算位置節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)?，F(xiàn)有的測(cè)距技術(shù)有RSSI、TDOA、TOA、AOA等。基于非測(cè)距的定位方法主要利用所有節(jié)點(diǎn)間的連通性和參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)?，F(xiàn)有的非測(cè)距技術(shù)有質(zhì)心法、APIT、凸規(guī)劃、Dv-Hop等。

2 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)

2.1 基于測(cè)距的定位方法

SI信號(hào)強(qiáng)度法（

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

（2）AOA到達(dá)角度法（Angle of Arrival，AOA）定位的原理是：首先未知節(jié)點(diǎn)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射無線信號(hào)，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)上的天線測(cè)定的信號(hào)到達(dá)角度可以確定節(jié)點(diǎn)之間的夾角，最后利用幾何解析式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

（3）TOA到達(dá)時(shí)間法（Time of Arrival，TOA）定位的原理是：利用“速度—時(shí)間”距離公式，通過測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)與至少3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)傳播時(shí)間，并將傳播時(shí)間乘以信號(hào)傳播速度，最終得到未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離。TOA要求未知節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間有很高精度的時(shí)鐘同步。假設(shè)通過測(cè)量方式記錄到未知節(jié)點(diǎn)O（x0,y0）與各參考節(jié)點(diǎn)A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x0,y0）之間信號(hào)傳播時(shí)間分別為t1、t2、t3，設(shè)信號(hào)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(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

（4）TDOA到達(dá)時(shí)間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）的定位通常由兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種是當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到來自同一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的兩種不同無線信號(hào)時(shí)，記錄兩種信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，再根據(jù)兩種信號(hào)不同的傳播速度，利用距離公式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)間的距離。

另一種實(shí)現(xiàn)方式是未知節(jié)點(diǎn)O（x0,y0）同時(shí)向參考節(jié)點(diǎn)A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x3,y3）發(fā)送同一種信號(hào)，由于未知節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的距離不同，所以信號(hào)達(dá)到參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間不同，已知信號(hào)傳輸?shù)乃俣葀和信號(hào)到達(dá)時(shí)間差△t，可以確定O在以參考節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)、距離差為VX△t的雙曲線上。通過測(cè)量至少三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差△t就可以構(gòu)成一組關(guān)于未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)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(diǎn)O的估計(jì)位置。

2.2 基于非測(cè)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(diǎn)通信的所有參考節(jié)點(diǎn)，以這些參考節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)多邊形區(qū)域，此多邊形的幾何質(zhì)心即為該未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)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(diǎn)通信的參考節(jié)點(diǎn)挑選出來，把這些節(jié)點(diǎn)以的方式組成若干個(gè)三角形，遍歷所有參考節(jié)點(diǎn)，將最終確定區(qū)域的重心作為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)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(diǎn)在三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，然后以參考節(jié)點(diǎn)為圓心、通信長(zhǎng)度為半徑分別作三個(gè)圓，其次對(duì)三個(gè)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(gè)矩形，最終選取矩形的質(zhì)心為此節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的平均一跳距離，用此距離與節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)相乘，由此得到未知節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離值，最后利用三角定位的方法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)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(dāng)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(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)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)。