高書強 程章文

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡定位技術作為一種新型信息獲取及處理技術，在一些領域中得到了廣泛的應用。文章針對無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的方法和相關算法進行分析，希望可以找出最準確的定位方式。

關鍵詞：無線傳感器；網(wǎng)絡定位技術；測距算法

通過對傳感器節(jié)點位置的研究可以分析出路由效率，進而保證網(wǎng)絡負荷的平衡，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的自動配置，從而提升網(wǎng)絡覆蓋的質(zhì)量?？梢姡脗鞲衅骶W(wǎng)絡定位技術實現(xiàn)對各個節(jié)點的準確定位對實際網(wǎng)絡應用的重要意義。由于經(jīng)濟、節(jié)點能量和環(huán)境等因素的影響，在很多時候GPS無法發(fā)揮出應有的定位作用，此時就需要依靠無線傳感器網(wǎng)絡的定位技術來實現(xiàn)節(jié)點坐標定位。

1 WSN定位技術

1.1 定位方法

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN）定位指的是針對未知網(wǎng)絡節(jié)點的確定，主要是采用已知部分的錨節(jié)點，來測量未知節(jié)點和剩余節(jié)點的距離以及跳數(shù)，另外還可以對節(jié)點可能存在的區(qū)域范圍進行估計，同時利用節(jié)點交換時所得出的錨節(jié)點位置，來確定每個節(jié)點的位置[1]。WSN定位技術的實際作用就是通過已知節(jié)點和位置，利用傳觀器將節(jié)點分成信標節(jié)點、錨點和未知節(jié)點，再根據(jù)已知部分的節(jié)點來確定節(jié)點可能的范圍，實現(xiàn)對所有節(jié)點的定位。

1.2 定位方法的性能評價標準

1.2.1 定位精度

在對定位技術進行評估時，最主要的評價指標就是定位的精準度，就定位技術的精確度而言，可以細分為相對精度和絕對精度。相對精度通常以誤差值和節(jié)點無線射程來表示，誤差值越小則代表精度越好，反之則精度低，這是相對精度的確定依據(jù)。絕對精度指的是測量坐標和真實坐標之間存在的偏差，差異越小則絕對精度越高。

1.2.2 規(guī)模

規(guī)模指的是定位系統(tǒng)對區(qū)域空間定位的有效值，即定位系統(tǒng)可以滿足一層建筑、一個房間或者整個樓房的定位，簡單來說就是定位技術所能達到的有效范圍。同時對特定的定位目標實現(xiàn)定位操作也是定位方法性能評估的一個關鍵因素。

1.2.3 錨節(jié)點密度

錨節(jié)點的定位一般是通過人工設置和GPS技術實現(xiàn)，但是采用人工設置錨節(jié)點時，在一定程度上會受到網(wǎng)絡環(huán)境的限制，使得網(wǎng)絡和應用性能無法得以擴展。而采用GPS定位技術時，所投入的成本費用相對較高，每設置一個錨節(jié)點就需要高于普通節(jié)點兩倍的價格，定位準確性與錨點設置的數(shù)量具有直接聯(lián)系，但當錨節(jié)點達到一定數(shù)值時準確度將不會發(fā)生變化，為此錨節(jié)點的設置密度也可作為評價系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)。

1.2.4 節(jié)點密度

在實際定位技術中，節(jié)點密度與網(wǎng)絡聯(lián)通的度密切相關，在一些定位算法中，節(jié)點密度的變化將會對定位的精確度產(chǎn)生直接影響。而節(jié)點密度的增加會帶來網(wǎng)絡部署成本費用的增加，同時密度較大的節(jié)點在實際通信過程中也提升產(chǎn)生沖突的概率，致使帶寬受阻，嚴重影響定位技術的應用效果，為此，將其作為定位方法性能評價系統(tǒng)中的關鍵內(nèi)容。

1.2.5 容錯性和自適應性

定位技術的方法和算法對網(wǎng)絡通信環(huán)境和節(jié)點均具有較高的要求，如果網(wǎng)絡通信環(huán)境不佳或者節(jié)點設備無法達到算法條件要求，就會對定位的準確性產(chǎn)生影響。而在實際應用定位技術的過程中可以發(fā)現(xiàn)，往往需要面臨復雜的網(wǎng)絡通信環(huán)境，節(jié)點失效或者節(jié)點精度不高也是較為常見的問題，這類問題會給定位的精確度帶來嚴重影響。在面臨這類問題時往往采用物理維護的方式對失效節(jié)點進行替換或是使用更加高端的手段進行定位測量，在實際開展的過程中遇到很多問題，缺乏一定的可行性。這就要求定位方法需要具備一定的容錯性和自適應性，在遇到上述問題時，能夠在系統(tǒng)內(nèi)部完成調(diào)整，確保無線傳感網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行，保證定位的精準性。

1.2.6 功耗

無線傳感器設計中功耗設計對其穩(wěn)定運行和精準度均有一定程度的影響。因無線傳感器中的電量有限，只有保證各項定位和計算功能的功率輸出才能保證在電量耗盡之前完成定位操作。因此，在實際設計無線傳感器的功能和規(guī)律時，需要對功能消耗問題作優(yōu)先考慮，確保電池能源能夠為所有功能提供充足的前提下，來完善無線傳感器的功能結構。

1.2.7 代價

定位方法和算法的代價主要表現(xiàn)在定位所需時間、空間以及成本這3個方面。其中時間代價是指在完成一次系統(tǒng)安裝所需的時間、配置功能所需的時間和定位所需的時間；空間代價是指定位方法和算法在應用的過程中所需的基礎設施和節(jié)點數(shù)量、硬件所占據(jù)的空間；成本代價是指應用某個定位方法和算法時所需要的基礎設施和節(jié)點設備投入的資金。

2 WSN定位方法

2.1 測距算法

2.1.1 距離測量方法

距離測量方法在時間上又可細分為信號傳輸時間方法和信號傳輸時間差的方法。其中新高傳輸時間方式是依靠到達時間（Time of Arrival，TOA）技術實現(xiàn)的，利用信號傳輸?shù)臅r間來推斷傳播距離。采用TOA技術的時間算法又可以細分為單程測距和雙程測距兩種。單程測距指的是單次傳輸?shù)男盘?，而雙程測距指的是信號到達之后立即返回的信號。對于單程測距而言，需要將各個節(jié)點之間的時間進行同步，如時間同步出現(xiàn)誤差會導致定位失準。而雙程測距則不需要考慮節(jié)點間的時間差問題，但是對本地時間的準確度要求較高，一旦本地時間出錯還是會給測距準確性帶來嚴重影響。到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）測距技術在信號傳輸時間差方法中的應用是通過在各個節(jié)點安裝超聲波收發(fā)器和射頻收發(fā)器，在實際測距時可以對發(fā)送的超聲波和接收點之間的信號時間差來確定兩點之間的距離。

利用信號到達角度實現(xiàn)測距的方法，所采用的是到達角度（Angle of Arrival，AOA）測距技術，該項技術需要在各個節(jié)點上安裝天線列才能成功獲取角度信息。而實際的網(wǎng)絡通信環(huán)境設置中，節(jié)點的天線通常是全向的，如果不添加硬件設備和天線陣列，就很難確定信號到達的方向，為此，該項技術還需要特定的硬件設備和天線陣列作為支持。

2.1.2 節(jié)點坐標計算方法

使用無線傳感器進行節(jié)點定位時，通過已知節(jié)點獲取到未知節(jié)點和臨近節(jié)點的距離信息和角度信息之后，可以采用以下幾種坐標確定方法計算出最終的定位信息。

（1）三邊測量法。該方法是利用幾何的計算方式來獲取定位信息的方法，在確定已知節(jié)點的坐標和距離之后，就可以繪制出未知節(jié)點D的坐標，采用同種計算方法可以推算出三維空間內(nèi)的節(jié)點坐標[2]。

（2）三角測量法。該種測量方法同樣是采用幾何的計算原理。當存在3個已知節(jié)點時，可以利用已知節(jié)點的角度來確定錨節(jié)點，再由錨節(jié)點和未知節(jié)點確定出圓心的位置，此時由已知節(jié)點和未知節(jié)點共同組成3個圓，找出3個圓心的坐標和半徑之后，利用三角測量計算原理，確定圓點坐標，即可計算得出最終的未知節(jié)點。

（3）極大似然估計法。已知n個點的坐標和它們到未知節(jié)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n-1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(jié)點的坐標。

（4）極小極大定位算法。該種算法是通過對未知節(jié)點和錨節(jié)點距離的計算，確定錨節(jié)點和未知節(jié)點的距離之后，以未知節(jié)點為中心，錨節(jié)點與未知節(jié)點距離的2倍為邊長，繪制出一個正方形，以此類推，利用全部錨節(jié)點繪制出的正方形重合部分的中心點即為未知節(jié)點的坐標。而采用此種方式所計算出的定位信息準確性與錨節(jié)點的密度息息相關，錨節(jié)點的密度越大則定位信息準確性越高。鑒于以上問題，有學者提出可以對錨節(jié)點的位置信息做出進一步精確判斷，以更加細化的算法提升定位信息的準確率。

2.2 非測距算法

非測距算法和測距算法之間的主要區(qū)別在于測量對象和計算方法之間的差異，即非測距算法不是采取直接測量距離的方式，而利用網(wǎng)絡通信信號來估算距離和坐標的方式。因非測距算法多種多樣存在一定的不確定性，我們僅對其中的幾個方法做出簡要分析。

有人用低功耗的算法，它利用錨節(jié)點的連通性來確定坐標。未知節(jié)點坐標是通過計算無線電范圍內(nèi)所有節(jié)點的質(zhì)心確定的。這種方法簡單但是誤差也較大。

也人提出了近似三角形內(nèi)點測試（Approximate PIT Test，APIT）算法，目標節(jié)點任選3個相鄰錨節(jié)點，使用不同錨節(jié)點組合重復測試直到窮盡，確定未知節(jié)點是否位于它們所組成的三角形中。最后計算包含目標節(jié)點的所有三角形的交集質(zhì)心，并以這一點作為目標節(jié)點位置，該算法需要較高的錨節(jié)點密度，精確度40%左右。

3 新型WSN定位技術

3.1 移動錨節(jié)點定位算法

利用移動錨節(jié)點定位可以避免網(wǎng)絡中多跳和遠距離傳輸產(chǎn)生的定位誤差，并且可以減少錨節(jié)點的數(shù)量，進而降低網(wǎng)絡的成本[3]。如移動錨節(jié)點（Mobile Beacon Assisted Localization Scheme，MBAL）定位方法，錨節(jié)點在移動過程中隨時更新自身的坐標，并廣播位置信息。

3.2 智能定位算法

隨著電子技術的發(fā)展和芯片計算能力的提高，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點本身的性能也有提升，復雜算法也可以在網(wǎng)絡中實現(xiàn)。對于無線傳感器網(wǎng)絡的戶外三維定位，將錨節(jié)點固定在直升機上通過GPS實時感知自身位置，采用基于接收的信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）的測距方法，利用粒子濾波定位技術實現(xiàn)定位，該方法不需要任何關于未知節(jié)點的先驗知識，非常適合應用于戶外定位。

4 結語

由于近幾年互聯(lián)網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的應用也越來越廣泛，在實際應用的過程中可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡定位技術的準確性會受到很多因素的干擾。而無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的應用也在很大程度上受到了定位準確性的限制不能快速推廣應用。鑒于以上問題，本文對無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的定位方法及評價標準進行分析，進一步探討了測距算法和非測距算法的計算原理，最后對新型WSN定位的算法進行闡述，希望可以為提升傳感器網(wǎng)絡定位的準確性做出一些努力。

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