趙立新

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在目前社會(huì)發(fā)展和個(gè)人生活中有著廣泛的應(yīng)用，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用當(dāng)中的關(guān)鍵組成部分，定位技術(shù)承擔(dān)了提供位置信息服務(wù)的重要作用，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一。本文首先對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位理論進(jìn)行敘述，分析了目前定位系統(tǒng)及算法的不足，然后結(jié)合當(dāng)前典型定位算法設(shè)計(jì)思想及適用范圍，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)定位理論及算法的未來研究方向進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò) 定位理論 算法

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（b）-0007-02

無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與網(wǎng)絡(luò)世界的相互連接，目前廣泛應(yīng)用于軍事與民用領(lǐng)域，為了提高傳感器在外界信息獲取的準(zhǔn)確程度，形成具體的物理事件，需要采取定位算法來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，但是在某些特定領(lǐng)域的定位計(jì)算中仍舊存在一定的誤差，同時(shí)忽略了各節(jié)點(diǎn)之間可能存在的潛在聯(lián)系，影響定位結(jié)果的精度?；谝陨锨闆r，需要在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位理論進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究高性能定位算法，保證定位結(jié)果的精確程度。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)和定位技術(shù)概述

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署在需要監(jiān)控區(qū)域中大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)所形成的，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求，這些傳感器由人工或者飛機(jī)播撒的方式進(jìn)行部署，其主要作用是對(duì)該區(qū)域感知對(duì)象的信息進(jìn)行采集，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將所收集到的信息傳輸給觀察者。無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)和終端[1]。對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來說，其作用包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源，根據(jù)檢測(cè)需求，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中傳感器包括溫度、濕度、振動(dòng)、壓力和熱量等模塊。

1.2 定位技術(shù)

定位技術(shù)在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中起著至關(guān)重要的作用，依靠定位技術(shù)，能夠準(zhǔn)確獲得位置信息，沒有位置信息的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法解釋成具體物理事件，缺乏可用性。在另外一個(gè)方面，定位技術(shù)也可以為其他網(wǎng)絡(luò)模塊提供服務(wù)，比如：采用定位技術(shù)輔助路由，路由表不需要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)存和維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)路由?？偟膩碚f，由于節(jié)點(diǎn)無法準(zhǔn)確獲得自身的位置，所以需要在部署傳感器之后進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位，而定位技術(shù)就是根據(jù)一些已知的位置節(jié)點(diǎn)，按照特定算法計(jì)算出自身位置的過程[2]。

2 定位技術(shù)基本概念

2.1 錨節(jié)點(diǎn)

錨節(jié)點(diǎn)也被稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，指的是能夠直接獲取自身位置信息的節(jié)點(diǎn)。

2.2 未知節(jié)點(diǎn)

除了錨節(jié)點(diǎn)之外的節(jié)點(diǎn)被稱為未知節(jié)點(diǎn)。當(dāng)此節(jié)點(diǎn)需要特殊定位的情況下，未知節(jié)點(diǎn)也被稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。一些定位成功的未知節(jié)點(diǎn)也被稱為偽錨節(jié)點(diǎn)。

2.3 參考節(jié)點(diǎn)

當(dāng)對(duì)某些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位的時(shí)候，需要借助其臨近節(jié)點(diǎn)位置信息來進(jìn)行，這樣的節(jié)點(diǎn)就是參考節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)都可以作為參考節(jié)點(diǎn)來使用[3]。

2.4 測(cè)距圖

測(cè)距圖G一般用來表示給定網(wǎng)絡(luò)，測(cè)距信息G=（V，E），其中的V是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，邊（i，j）∈E為i節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)之間的距離。通過V節(jié)點(diǎn)與E來表示測(cè)距信息，通過這兩個(gè)信息獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置，這個(gè)圖G就是測(cè)距圖。

2.5 可定位網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)對(duì)應(yīng)的定位問題，一個(gè)定位成功的網(wǎng)絡(luò)是可解的。

2.6 可定位節(jié)點(diǎn)

在給定網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)測(cè)距圖的基礎(chǔ)上，通過錨節(jié)點(diǎn)和測(cè)距信息獲得最大可定位節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)就被成為可定位節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為不可定位節(jié)點(diǎn)，這些不可定位節(jié)點(diǎn)不能用任何定位算法進(jìn)行定位[4]。

2.7 定位問題

在給定網(wǎng)絡(luò)和測(cè)距圖的情況下，計(jì)算可定位節(jié)點(diǎn)物理位置的問題就是定位問題。

2.8 定位算法性能。

給定網(wǎng)絡(luò)和測(cè)距圖，定位問題能夠采用這個(gè)定位算法順利解決，其性能就是根據(jù)定位可定位節(jié)點(diǎn)的比例來確定的。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位理論分析

3.1 定位理論基本定義

根據(jù)以上定位技術(shù)的基本定義可以看出，在給定網(wǎng)絡(luò)與測(cè)距圖的情況下，通過錨節(jié)點(diǎn)與測(cè)距信息，來對(duì)臨近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，并且將已經(jīng)定位的節(jié)點(diǎn)當(dāng)作參考節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行下一次的未知節(jié)點(diǎn)定位，直到成功定位所有可定位節(jié)點(diǎn)為止，這樣重復(fù)的定位過程顯得更加復(fù)雜，在此基礎(chǔ)上，如果錨節(jié)點(diǎn)和測(cè)距信息不能同時(shí)獲得，或者得到的信息并不精準(zhǔn)，相應(yīng)定位問題將變得更加復(fù)雜。當(dāng)前普遍通過剛性理論描述網(wǎng)絡(luò)可定位性，相關(guān)定義如下：

（1）基礎(chǔ)圖。在測(cè)距圖GN中的邊合集EN中增加所有錨節(jié)點(diǎn)所連接的邊，所得出的G'N=V，EN∪（i，j），這樣圖就是基礎(chǔ)圖。

（2）剛性。測(cè)距圖頂點(diǎn)間距離不改變的情況下，不能連續(xù)進(jìn)行形變，說明此圖是剛性的。

（3）冗余剛性。在圖G為剛性的情況下，刪除途中任何一條邊，圖G仍然是剛性的，說明圖G是冗余剛性。

（4）點(diǎn)行。在基礎(chǔ)圖當(dāng)中，d維空間中點(diǎn)的合集定義為P，所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)形為Fp，F(xiàn)p=（p，L），L為對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)圖邊合集的鏈接合集。點(diǎn)形Fp只能確定唯一基礎(chǔ)圖，以此來表示點(diǎn)與點(diǎn)之間的連接屬性[5]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)可定位條件分析

結(jié)合以上定位..理論基本定義中的剛性理論，可以知道網(wǎng)絡(luò)可定位的條件包括這些方面：在給定d（d=2，3）維空間網(wǎng)絡(luò)N的情況下，包括m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)位置為p，其中包括n—m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，表示為（m+1），（m+2）···，n，對(duì)應(yīng)位置P為Pm+1，Pm+2···，Pn，如果d=3，m≥4，可以用典型Fp來表示網(wǎng)絡(luò)N，這樣的網(wǎng)絡(luò)N能夠被定位，同時(shí)對(duì)于Fp是剛性的。但是，在二維空間d中，同樣存在一些特殊情況，能夠使剛性圖不完全滿足剛性，這樣的特殊情況包括翻轉(zhuǎn)和折轉(zhuǎn)，針對(duì)折轉(zhuǎn)來說，網(wǎng)絡(luò)N中的一些錨節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)到鏡像位置，從而發(fā)生形變，導(dǎo)致剛性圖不能完全滿足剛性。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法分析

目前關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究有很多，根據(jù)定位需求選擇不同的定位算法，結(jié)合定位過程，對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測(cè)量是不是必要的，目前的定位算法可以分成基于硬件測(cè)距的定位算法和不需要硬件測(cè)距的定位算法。

4.1 基于硬件測(cè)距的定位算法

基于硬件測(cè)距的定位算法，是一種測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間距離來進(jìn)行定位的，而硬件測(cè)距工具和相關(guān)測(cè)量技術(shù)決定了定位精度，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）基于時(shí)間測(cè)距的定位?；跁r(shí)間測(cè)距的定位技術(shù)，也就是通過無線信號(hào)的傳播時(shí)間，和已知無線信號(hào)傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，也就是信號(hào)發(fā)射到信號(hào)接收之間的距離，然后對(duì)錨節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行計(jì)算，從而得出相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)，目前基于時(shí)間測(cè)距的定位算法包括三邊測(cè)量法[6]。目前這種算法是最常用的定位算法，其主要原因是對(duì)成本和硬件要求較低，但是影響測(cè)距精度的因素有很多，首先，大氣環(huán)境條件會(huì)影響無線信號(hào)傳播速度，噪聲、傳播路徑和環(huán)境差異也會(huì)在一定程度上影響測(cè)量精確度，所以，在采用此方法進(jìn)行測(cè)量的情況下，需要在最大程度上控制好環(huán)境及硬件測(cè)量工具條件，以此來有效提高定位精度。

（2）基于到達(dá)時(shí)間差距的定位技術(shù)。這種定位技術(shù)與基于時(shí)間測(cè)距定位技術(shù)有著相似之處，主要是通過兩種速率不同信號(hào)的傳輸時(shí)間差，結(jié)合其傳輸速度，來對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行測(cè)定，其算法體如下。

比如兩種不同速度的信號(hào)被同時(shí)發(fā)出，速度為C1、C2、接收器接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間為T1、T2、兩節(jié)點(diǎn)之間距離測(cè)定公式為：

（T2-T1）×（C1C2/C1-C2） （1）

基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距的定位技術(shù)。從信號(hào)發(fā)射器發(fā)射相應(yīng)無線信號(hào)，記錄信號(hào)發(fā)射時(shí)的強(qiáng)度，然后在接收到信號(hào)時(shí)候，將其信號(hào)強(qiáng)度與信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合信號(hào)傳播衰減模型，計(jì)算信號(hào)傳輸損耗規(guī)律，從而得出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。在有相關(guān)模型的情況下，這樣的定位技術(shù)較為簡(jiǎn)單，但是容易受到非視距和噪聲的影響，適合精度要求低的節(jié)點(diǎn)定位。

4.2 基于非硬件測(cè)距的定位算法

4.2.1 質(zhì)心算法

質(zhì)心為幾何多邊形的中心，質(zhì)心坐標(biāo)位置就是多邊形定點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，假設(shè)質(zhì)心坐標(biāo)為（x，y），多邊形A、B、C、D、E的頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為A（x1，y1），B（x2，y2），C（x3，y3），D（x4，y4），E（x5，y5），質(zhì)心坐標(biāo)（x，y）=（x1+x2+x3+x4+x5/5，y1+y2+y3+y4+y5/5）。在進(jìn)行質(zhì)心算法的過程中，Anchor node能夠不斷地向鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，包括Anchor node的位置信息，在對(duì)這些信息進(jìn)行接收的過程中，會(huì)設(shè)置相應(yīng)閾值，當(dāng)不符合閾值要求的情況下，能夠自動(dòng)停止接收數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的坐標(biāo)位置信息，根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算，得出質(zhì)心坐標(biāo)，也就是錨節(jié)點(diǎn)的位置。

4.2.2 基于DC的定位算法

DC（delaunay complex）是三角剖分的擴(kuò)展，DC能夠?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，在網(wǎng)絡(luò)是完全剛性的情況下，可以先對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊界和中軸進(jìn)行識(shí)別，然后選取地標(biāo)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的DC，進(jìn)行平面鑲?cè)?，最后結(jié)合節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位。

5 結(jié)語

定位技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)了非常終于重要的位置，需要根據(jù)實(shí)際適用領(lǐng)域需求，選擇合適的定位算法，當(dāng)前定位算法仍舊存在著算法定位能力與理論上限處于同一水平、復(fù)雜程度過高、精確程度不足和誤差處理影響性能等問題，結(jié)合定位算法剛性理論，未來的定位算法存在極大研究空間，期待定位算法的提升完善能夠推動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。

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