1、目 錄一.WSN節點定位的意義二.主要的WSN定位方法三.國內外基于測距的定位方法的研究四.新型WSN定位方法五.總結一.WSN節點定位的意義 無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取和處理技術在目標跟蹤、入侵監測及一些定位相關領域有廣泛的應用前景。傳感器節點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置發什么了什么事件”, 從而實現對外部目標的定位和跟蹤; 了解傳感器節點的位置分布狀況可以對提高網絡的路由效率提供幫助, 從而實現網絡的負載均衡以及網絡拓撲的自動配置, 改善整個網絡的覆蓋質量。定位最簡單的方法是為每個節點裝載全球衛星定位系統(GPS) 接收器, 用以確定節點位置。但是, 由于經濟因素、節

2、點能量制約和GPS對于部署環境有一定要求等條件的限制, 導致方案的可行性較差。 一般只有少量節點通過裝載GPS或通過預先部署在特定位置的方式獲取自身坐標。因此, 必須采取一定的機制或算法來實現無線傳感器網絡中各節點的定位。二.主要的WSN定位方法 普遍認為基于測距和非測距的算法分類更為清晰,但大部分基于非測距的定位算法只是停留在理論研究階段, 且大都是在仿真環境下進行的, 需要假設很多不確定因素, 而這些因素在實際應用中往往不能滿足, 在實際應用中通常選擇測距算法。1.依據距離測量與否測距算法非測距算法2依據節點連通度和拓撲分類單跳算法多跳算法3依據信息處理的實現方式分布式算法集中式算法三.國

3、內外基于測距的定位方法的研究 基于測距的算法利用某種測量方法測量距離(或角度)利用測得的距離(或角度)計算未知節點坐標距離的測量方法基于時間的方法基于信號傳輸時間的方法(time of arrival, TOA)基于信號傳輸時間差的方法(time difference of arrival, TDOA)基于信號到達角度的方法(angle of arrival, AOA)基于接收信號強度的方法(received signal strength indicator, RSSI)3.1距離的測量方法3.1.1基于信號傳輸時間的方法 最早的TOA距離估計算法是在非時間同步網絡中利用對稱雙程測距協議進行

4、測量的， 之后單程測距方法在后續的研究中被提出, 如Harter開發的Active Bat定位系統, 它由一系列固定在網格中的節點組成。固定節點從移動節點中接收超聲波, 并通過TOA算法計算到移動節點的距離, 在通信范圍30 m左右的情況下, 其定位精度達到9 cm, 相對精度9.3%.TOA技術通過測量信號的傳播時間來計算距離, 該技術可分為單程測距和雙程測距, 單程測距即信號只傳輸一次, 雙程測距即信號到達后立即發回。前者需要兩個通信節點之間具有嚴格的時間同步, 后者則不需要時間同步, 但是本地時鐘的誤差同樣會造成很大的距離偏差。最典型的應用就是GPS定位系統。TOA只有在視距(line-

5、of-sight, LOS)的情況下才比較精確, 在非視距(none line-of-sight, NLOS)情況下, 隨著傳播距離的增加測量誤差也會相應增大。 優點: 測量方法簡單且能取得較高的定位精度。 缺點: 1.精確計時難 2.高精度同步難 3.易受噪聲影響實 例3.1.2基于信號傳輸時間差的方法 由MIT開發出的Cricket室內定位系統最早采用了RF信號與超聲波信號組合的TDOA測距技術, 在2 m2 m2.5 m的范圍內, 該系統定位精度在10 cm以下, 現已成為Crossbow的商業化產品。 基于時間的定位方法的定位精度雖高, 但從上面的例子中可以看出其測距距離較短, 且附加

6、的硬件將增加節點的體積和功耗, 不適于實際應用。TDOA測距技術廣泛應用于無線傳感器網絡的定位方案中。通常在節點上安裝超聲波收發器和射頻收發器, 測距時錨節點同時發送超聲波和電磁波, 接收節點通過兩種信號到達時間差來計算兩點之間距離。 優點:在LOS情況下能取得較高的定位精度。缺點: 1. 硬件需求較高2.傳輸信號易受環境影響 3.應用場合單一實 例3.1.3基于信號到達角度的方法AOA測距技術依靠在節點上安裝天線陣列來獲得角度信息。由于大部分節點的天線都是全向的, 無法區分信號來自于哪個方向。因此該技術需要特殊的硬件設備如天線陣列或有向天線等來支持。 優點:能夠取得不錯的精度缺點:裝有天線陣

7、列的節點的耗能、尺寸以及價格都要超過普通的傳感節點, 與無線傳感器網絡低成本和低能耗的特性相違背, 所以實用性較差。3.1.4基于接收信號強度的方法 早期的RSSI距離測量方法有Hightower等人設計的室內定位SpotON tags系統, 通過RSSI方法來估計兩點間的距離, 通過節點間的相互位置來進行定位, 在邊長3 m的立方體內, 其定位精度在1 m以內.RSSI是在已知發射功率的前提下, 接收節點測量接收功率, 計算傳播損耗, 并使用信號傳播模型將損耗轉化為距離。 優點:低成本 缺點: 1.錨節點數量需求多 2.多路徑反射、非視線問題等因素都會影響距離測量的精度實 例3.1.5各種方

8、法的研究比例研究RSSI方法的大約占了以上幾種方法總數的52%, TOA方法25%,TDOA方法13%和AOA方法10%,從實用性的角度來看, 基于RSSI的定位方法更簡便易行。3.2 節點坐標計算方法三邊測量法三角測量法極大似然估計法 已知3個節點A, B,C的坐標以及3點到未知節點的距離就可以估算出該未知點D的坐標, 同理也可以將這個結果推廣到三維的情況。三邊測量法原理示意圖三角測量法原理示意圖 已知3個節點A, B, C的坐標和未知節點D與已知節點A, B, C的角度, 每次計算2個錨節點和未知節點組成的圓的圓心位置，如已知點A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3個圓心的坐標和半徑。

9、最后利用三邊測量法, 根據求得的圓心坐標就能求出未知節點D的位置。極大似然估計法原理示意圖已知n個點的坐標和它們到未知節點的距離, 列出坐標與距離的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n1個方程組成的線性方程組, 最后用最小二乘估計法可以得到未知節點的坐標。四.新型WSN定位方法1.基于移動錨節點的定位算法2.三維定位方法3.智能定位算法利用移動錨節點定位可以避免網絡中多跳和遠距離傳輸產生的定位誤差累計, 并且可以減少錨節點的數量, 進而降低網絡的成本。隨著傳感器網絡的空間定位需求不斷提升, 三維空間場景下的定位也成為了一個新的研究方向。目前的三維定位算法包括基

10、于劃分空間為球殼并取球殼交集定位的思想, 提出的對傳感器節點進行三維定位的非距離定位算法APIS(approximate point in sphere) 。對于無線傳感器網絡的戶外三維定位, 將錨節點固定在直升機上通過GPS實時感知自身位置, 采用基于RSSI的測距方法, 利用粒子濾波定位技術實現定位, 該方法不需要任何關于未知節點的先驗知識, 非常適合應用于戶外定位。五.總結 無論是在軍事偵察或地理環境監測, 還是交通路況監測或醫療衛生中對病人的跟蹤等應用場合, 很多獲取的監測信息需要附帶相應的位置信息, 否則, 這些數據就是不確切的, 甚至有時候會失去采集的意義, 因此網絡中傳感器節點自

11、身位置信息的獲取是大多數應用的基礎。截至目前, 無線傳感器網絡定位研究已廣泛開展并取得了許多研究成果, 但仍存在著一些沒有被解決或被發現的問題, 目前最為關鍵的問題仍然是WSN節點的能耗問題, 一切的定位算法應該在精度和能量消耗上選取一個較為折衷的效果。目前存在的問題主要有以下幾點： 1) 實用性差 2) 應用環境單一 3) 受硬件限制 4) 能量受限 5) 安全和隱私問題 未來的無線傳感器網絡定位在解決上述問題之后將廣泛應用于各類領域, 包括安全定位、變化的環境、三維空間等。參考文獻 1王福豹, 史龍, 任豐原. 無線傳感器網絡中的自身定位系統和算法J. 軟件學報, 2005, 16 (05): 857-868. 2彭保. 無線傳感器網絡移動節點定位及安全定位技術研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2009: 20-25. 3邱巖, 趙沖沖, 戴桂蘭. 無線傳感器網絡節點定位技術研究J. 計算機科學, 2008, 35(5): 4