秦曉琴

摘要：節(jié)點的定位問題是無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)作的感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域內的事件信息所面臨的首要問題，其位置信息的獲取直接影響無線傳感器網(wǎng)絡在實際中的應用。該文結合無線傳感器網(wǎng)絡的應用情況，從節(jié)點的定位原理，典型定位算法的具體定位方式和特點，目前定位算法在運用中所面臨的問題與挑戰(zhàn)三個方面對節(jié)點定位技術進行了分析。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；定位原理；定位算法

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）19-0042-02

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Network）作為新興物聯(lián)網(wǎng)的重要技術之一，是當前信息領域中的研究熱點。目前，WSN被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、目標識別與跟蹤，如在大型結構狀態(tài)監(jiān)測、城市交通安全監(jiān)測和智能家居等領域。然而，在監(jiān)測區(qū)域很多時候不僅需要獲取監(jiān)測的事件信息，更需要知道事件發(fā)生的具體位置，這就使得WSN中節(jié)點自身位置信息變得非常重要，換句話說，節(jié)點的定位在很大程度上決定著WSN的應用前景。本文從以下三個方面對定位技術進行分析：WSN中網(wǎng)絡節(jié)點是如何進行定位的，基于測距的定位算法和無需測距的定位算法分別通過什么方式進行定位以及各自的特點，目前的定位算法所面臨的問題與挑戰(zhàn)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位原理

基于網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點位置信息的獲取狀態(tài)，在WSN的節(jié)點定位技術中節(jié)點主要分為兩類，一類是信標節(jié)點，即錨節(jié)點，另一類是未知節(jié)點。錨節(jié)點是已知自己的位置信息且位置固定，由人工部署或配有GPS等導航設備，成本比一般節(jié)點高，在定位過程中能量消耗也比較大，所以網(wǎng)絡中錨節(jié)點的數(shù)量較少。未知節(jié)點通常是隨機分布，不知道自身位置信息，需要進行定位。WSN的定位技術是進行其他眾多應用的基本前提，目前的定位方法通常包含兩個部分，一部分是測量節(jié)點之間的距離或者角度，另一部分是通過一定的計算方式，實現(xiàn)節(jié)點的定位。

WSN中的未知節(jié)點進行第一部分操作其目的是為了獲得與錨節(jié)點之間的直線距離。未知節(jié)點通過測量與鄰近節(jié)點的距離或者角度來計算得到與鄰近錨節(jié)點的距離，進而獲取到錨節(jié)點的直線距離。在未知節(jié)點獲得大于等于三個到達錨節(jié)點的直線距離后進行第二部分的具體定位計算。定位計算通常采用三邊（角）測量法或極大似然估計法等方法進行，但由于網(wǎng)絡中節(jié)點間的距離測量會存在一定誤差，進而導致節(jié)點的計算坐標與實際坐標之間產生差異，因此在實際應用中通常采用最大似然估計法進行定位計算以此盡可能地減少差異。假設網(wǎng)絡中有n個已知位置信息的節(jié)點，其坐標和到未知節(jié)點M（x，y）的距離分別為（x1，y1）、（x2，y2）、…（xn，yn）， d1、d2、d3、…dn，則存在下列公式（1）：

3 典型的定位算法

根據(jù)WSN中節(jié)點定位過程是否需要測量節(jié)點間的距離將其分為兩類，一類是需要明確網(wǎng)絡中節(jié)點之間的精確距離或角度，然后用三邊測量法或三角形關系定位的高成本、高定位精度的基于測距（Range-Based）的定位算法。另一類是不需要額外的節(jié)點硬件支持，直接根據(jù)網(wǎng)絡中各節(jié)點間的通信情況來記錄錨節(jié)點和其他節(jié)點間的跳數(shù)值，然后估算節(jié)點間的距離的定位算法，即基于無需測距（Range-Free）的定位算法。兩類定位算法相比較，前者定位精度較高，但在實際運用中受硬件條件、成本和功耗等因素的限制，難以應用于功耗和成本較低的領域。后者對硬件條件沒有過高的要求，計算較簡單，但由于定位精度不高，其適用范圍有一定的局限性。

3.1 基于測距的定位算法

基于測距的定位算法主要是依據(jù)網(wǎng)絡中節(jié)點間的距離或者角度的測量來確定未知節(jié)點的位置信息，而節(jié)點間的距離或者角度測量需要通過一定的方式進行，目前，在無線傳感器網(wǎng)絡中常用的測距方法有TOA，TDOA，AOA，RSSI等，各測距方法的特點如表1所示。

3.2 基于無需測距的定位算法

基于無需測距的定位算法主要是根據(jù)網(wǎng)絡的連通性來計算網(wǎng)絡中各節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離，不需要測量節(jié)點之間的距離，典型的無需測距定位算法中有質心定位算法[1]、凸規(guī)劃定位算法[2]、DV-Hop定位算法[3]等。

Nirupama Bulusu 等提出的質心定位算法的基本原理是每間隔時間s，信標節(jié)點向網(wǎng)絡中各節(jié)點發(fā)送一個信標信號（包含信標節(jié)點編號及其位置信息），當未知節(jié)點獲得超過一定數(shù)量的不同信標信號時，信標節(jié)點所構成的多邊形質心則為定位結果，該算法實現(xiàn)簡單但對錨節(jié)點的依賴較大。針對質心定位算法存在的不足，文獻[4]結合距離因素對算法進行優(yōu)化，既不增加額外硬件設施又在一定程度上提升了算法的定位精度。文獻[5]在考慮接收信號強度的基礎上對算法的不足進行了改進，有效地避免了反演誤差，在提高算法精度的同時還降低了算法的復雜度和節(jié)點功耗。

Doherty等人提出的凸規(guī)劃定位算法的基本思想是將WSN中節(jié)點間的網(wǎng)絡通信連接作為一個凸集進行處理，通過半定規(guī)劃或者線性規(guī)劃等方式對凸約束進行優(yōu)化，從而完成節(jié)點的定位。這種算法的覆蓋面較低，為避免邊緣節(jié)點的估計位置向網(wǎng)絡中心偏移，錨節(jié)點需要在網(wǎng)絡邊緣進行部署。結合傳統(tǒng)凸規(guī)劃定位算法的不足，文獻[6]在錨節(jié)點的通信范圍內通過引入最大內接圓來減少無效區(qū)域，在減少未知節(jié)點定位誤差的同時又降低了該算法的功耗與開銷。

DV-Hop定位算法是由Dragos Niculescu等人提出，該算法主要基于距離矢量路由和GPS定位原理。這種算法不需要進行實際距離的測量，也不需要其他的硬件條件支持，完全基于網(wǎng)絡的連通性，在算法的運行過程中網(wǎng)絡中所有節(jié)點在傳播信息的同時計算自己的位置，節(jié)點之間沒有地位之分。DV-Hop定位算法的執(zhí)行過程簡單，但其采用計算距離（節(jié)點間跳段數(shù)乘以平均每跳距離）代替實際距離，會導致計算坐標與實際坐標之間存在很大的誤差，定位精度較差。針對DV-Hop定位算法存在的定位誤差問題，大量學者圍繞如何精確跳段數(shù)和網(wǎng)絡平均跳距這兩個值進行了深入研究，如文獻[7-8]通過引入通信半徑進一步精確記錄節(jié)點間的跳段數(shù)以此優(yōu)化節(jié)點間計算距離，從而縮小計算坐標與實際坐標的誤差，提高算法的定位準確度。

綜上所述，基于無需測距的定位算法更多的偏向于理論研究，主要是通過網(wǎng)絡連通度來進行定位，但是定位精度較低，缺乏實用性，其性能比較如表2所示：

3.3 當前定位算法面臨的主要挑戰(zhàn)

WSN中節(jié)點的定位問題是其運行的前提和基礎，目前，WSN的定位研究已取得較多成果，但在應用中仍面臨許多問題與挑戰(zhàn)有待進一步深入分析解決。

（1）定位精度：受硬件條件影響，不同的測距或測角技術具有不同的誤差特征，由此帶來的測距誤差會影響定位精度。同時，在進行定位計算過程中造成的誤差也會影響定位精度。

（2）受能量限制：傳感器節(jié)點依靠電池供電，但由于節(jié)點的電池能量有限，且網(wǎng)絡要求自適應、自組織地運行，這使得節(jié)點的計算能力、內存、通信能力等都受到限制，要求節(jié)點間的通信和感知次數(shù)要盡可能的少，定位算法對節(jié)點的功耗要很小。因此，能量限制也是定位技術需要解決的問題。

（3）錨節(jié)點數(shù)目：錨節(jié)點的位置通常是人工布置或由其他定位系統(tǒng)確定。但是對于大規(guī)模網(wǎng)絡或某些人員不易接近的區(qū)域，人工布置不現(xiàn)實，所有節(jié)點通過定位系統(tǒng)確定也不實際，通常只有小部分節(jié)點為錨節(jié)點，稀疏的錨節(jié)點使得普通節(jié)點位置的確定面臨困難。

（4）實用性差：基于無需測距的定位算法大多數(shù)集中在理論研究，且基本都是在仿真環(huán)境中實現(xiàn)，會假設許多不確定因素，但無線傳感器節(jié)點通常會部署在戰(zhàn)場、無人區(qū)等復雜地理環(huán)境中，這些不確定因素在實際中難以滿足，導致算法失去了實用性。

4 結束語

節(jié)點定位技術在無線傳感器網(wǎng)絡的應用中至關重要，本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點如何進行定位，并在此基礎上比較分析了幾種典型的節(jié)點定位算法，同時指出現(xiàn)有定位算法存在的一些亟需解決的問題。節(jié)點定位涉及定位精度、網(wǎng)絡規(guī)模、錨節(jié)點密度、網(wǎng)絡的容錯性和功耗以及成本等多個方面，如何平衡各個方面的關系對于無線傳感器網(wǎng)絡的定位問題是需要深入分析研究的。

參考文獻：

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