趙建光

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

位置信息是重要的環(huán)境參數(shù)，在傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域中，不僅要感知采集周邊環(huán)境的溫度、濕度、光照度、速度等物理參數(shù)，而且需要感知采集節(jié)點(diǎn)的地理位置參數(shù)，如經(jīng)度、緯度、高度，因此位置信息成為感知參數(shù)中的比較重要的參數(shù).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題的含義是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定方法提供節(jié)點(diǎn)的位置信息.定位技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)的重要支撐技術(shù)之一，因此，開(kāi)展定位技術(shù)的研究非常有必要.

1 定位技術(shù)分類

定位技術(shù)分為很多類，最常用的是衛(wèi)星定位，如中國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)BDS（BeiDou Navigation Satellite System）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng).傳感網(wǎng)工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常需要散布大規(guī)模的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，經(jīng)常采用空投的方式布置節(jié)點(diǎn)，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備BDS或GPS來(lái)定位，成本太高，因此，經(jīng)常為少數(shù)節(jié)點(diǎn)配置BDS或GPS模塊，以實(shí)現(xiàn)定位，其它節(jié)點(diǎn)通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)間接定位.

根據(jù)不同的分類依據(jù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)可以進(jìn)行如下分類：

（1）根據(jù)是否依靠測(cè)量距離，分為基于測(cè)距的定位和不需要測(cè)距的定位；

（2）根據(jù)部署的場(chǎng)合不同，分為室內(nèi)定位和室外定位；

（3）根據(jù)信息收集的方式，網(wǎng)絡(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動(dòng)定位，節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出信息，用于定位稱為主動(dòng)定位.

2 定位技術(shù)常用術(shù)語(yǔ)

定位技術(shù)常用術(shù)語(yǔ)有：錨點(diǎn)、測(cè)距、連接度、鄰居節(jié)點(diǎn)、跳數(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差（TDoA）、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、到達(dá)角度（Angle of Arrival，AoA）、視線關(guān)系（Line of Sight，LoS）、非視線關(guān)系等.

（1）錨點(diǎn)：傳感網(wǎng)絡(luò)中坐標(biāo)已知的節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)通常通過(guò)衛(wèi)星定位獲得.

（2）測(cè)距：測(cè)距節(jié)點(diǎn)與已知節(jié)點(diǎn)即錨點(diǎn)之間的距離.

（3）連接度：節(jié)點(diǎn)可通信的最大節(jié)點(diǎn)數(shù).

（4）鄰居節(jié)點(diǎn)：相鄰的節(jié)點(diǎn).

（5）跳數(shù)：從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的路徑數(shù)，與路由中跳數(shù)的概念類似.

（6）基礎(chǔ)設(shè)施：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的基礎(chǔ)設(shè)施.

（7）到達(dá)時(shí)間：通信信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間.

（8）到達(dá)時(shí)間差（TDoA）：通信信號(hào)從開(kāi)始發(fā)射到接受所經(jīng)歷的時(shí)間差.

（9）接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）：節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷接收到的無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度測(cè)定源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位.

（10）到達(dá)角度（Angle of Arrival，AoA）：節(jié)點(diǎn)中多個(gè)接收機(jī)接受無(wú)線信號(hào)時(shí)，接收機(jī)的接受角度.

（11）視線關(guān)系（Line of Sight，LoS）：如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接通信，即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)再彼此的通信范圍之內(nèi)，稱這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)存在視線關(guān)系.

（12）非視線關(guān)系：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不在彼此的通信范圍之內(nèi)，稱這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)存在非視線關(guān)系.

3 無(wú)線傳感網(wǎng)常用測(cè)距方法

在已知點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)量距離，利用解析幾何的計(jì)算方法可求的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo).測(cè)距成為確定未知節(jié)點(diǎn)位置的重要環(huán)節(jié)，基于測(cè)距的定位技術(shù)是通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置.常用的測(cè)距方法有RSSI測(cè)距和到達(dá)時(shí)間差測(cè)距.

（1）接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）測(cè)距

無(wú)線信號(hào)接收強(qiáng)度指示與信號(hào)傳播距離之間存在一定的數(shù)量關(guān)系，關(guān)系曲線如圖1所示：

圖1 RSSI與距離之間的關(guān)系曲線

從圖中可以看出，隨著傳播距離的增大，無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，近似滿足對(duì)數(shù)曲線.可根據(jù)RSSI的值求得兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離值.

（2）到達(dá)時(shí)間差測(cè)距

這類方法通過(guò)測(cè)量傳輸時(shí)間來(lái)估算兩節(jié)點(diǎn)之間距離，精度較好.ToA機(jī)制是已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離.測(cè)距原理圖如圖2所示.

圖2 基于時(shí)間差的測(cè)距原理圖

4 基于測(cè)距的定位方法

在以上兩種測(cè)方法的基礎(chǔ)上，可采用的定位技術(shù)有多邊定位及Min－Max定位方法.本文主要介紹并改進(jìn)多邊定位技術(shù).

（1）多邊定位法

基于距離測(cè)量（如RSSI、ToA／TDoA）的結(jié)果，再利用錨點(diǎn)的坐標(biāo)即可確定未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位，該方法稱為多變定位.至少具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)至錨點(diǎn)的距離值，確定三維坐標(biāo)，則需四個(gè)此類測(cè)距值.求解方程如下：

Ax＝b，

其中：

（2）多邊定位法的利弊及改進(jìn)

在無(wú)線傳感網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)的能量通常由2節(jié)干電池供電，能量有限，采用以上的計(jì)算方法精度高，但耗費(fèi)了大量的能量，縮短了節(jié)點(diǎn)壽命.在無(wú)線傳感網(wǎng)的應(yīng)用中往往不需要如此高的精度，只需近似的位置坐標(biāo)即可，針對(duì)這種情況，可采用現(xiàn)將多點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，融合至最小工作集坐標(biāo)數(shù)，再進(jìn)行求解，可大大降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)融合的多變定位方法，采用將多點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，融合至最小工作集坐標(biāo)數(shù)，再進(jìn)行求解，經(jīng)試驗(yàn)，可大大降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命.

［1］董云鵬.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京交通大學(xué)，2008，3～5

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