無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非視距定位技術(shù)

劉永奎，陳俊波

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河北 秦皇島 066100

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用

計算機、通信、自動控制、微電子機械系統(tǒng)和人工智能等學(xué)科的飛速發(fā)展，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生，成為目前眾多領(lǐng)域中的研究熱點之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)代人類生活產(chǎn)生了極大的影響。如今，因特網(wǎng)為人們提供了快捷的通信平臺，人與人之間溝通交流的方式有了很大改變。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界以及軍事部門的極大關(guān)注， 這種無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通過無線通信形成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有通信和計算能力的微型傳感器布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量，并且非常廉價。對在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或感知對象信息進行協(xié)作地感知、采集和處理。優(yōu)點是具有快速部署、自組、廉價、低功耗、可擴展性強以及能在惡劣和特殊的環(huán)境下正常工作等，在工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、環(huán)境監(jiān)測、國防軍事、生物醫(yī)療、危險區(qū)域遠程控制、反恐救災(zāi)等眾多領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

節(jié)點定位問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)，近幾年對節(jié)點定位問題的研究也很廣泛。節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個主要支撐技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在計算機軟硬件所組成計算世界與實際物理世界之間建立了更為密切的聯(lián)系，極大地提高了信息的真實程度。例如，在入侵檢測、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用中，在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件是用戶最關(guān)心的問題。實現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位、跟蹤等是通過傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置有效地說明被檢測物體的位置。在網(wǎng)絡(luò)層，可以設(shè)計基于節(jié)點位置信息的路由算法，提高路由效率，減少路由發(fā)現(xiàn)等開銷，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡；在應(yīng)用層，系統(tǒng)可以智能地根據(jù)節(jié)點位置，選擇一些特定的節(jié)點來完成任務(wù)，提高系統(tǒng)的存活時間，降低整個系統(tǒng)的能耗。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大，通常隨機部署在人類無法或不宜接近的區(qū)域，不需要干預(yù)，多用于較為惡劣的環(huán)境，如火山口附近。由于節(jié)點受到體積、重量以及制造成本等條件限制，單個節(jié)點不易得到補充，并且所能承載的能量非常有限。所以，在部署時不可能人工確定節(jié)點位置，若在每個節(jié)點上都裝備GPS定位系統(tǒng)，卻因其造價昂貴而不適合用于廉價的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，必須設(shè)計獨特的節(jié)點定位機制和算法。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器將物理世界中的一個物理量映射到一個定量的測量值，是數(shù)據(jù)采集、信息處理的關(guān)鍵部件，它使人們對物理世界形成量化認識。隨著微電子、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、集成化的方向發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有通信與計算能力的、大量無處不在的微小傳感器節(jié)點，在無人職守的監(jiān)控區(qū)域密集部署，構(gòu)成的根據(jù)環(huán)境能夠自主完成指定任務(wù)的智能測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其發(fā)展可劃分為4個階段。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)是具有簡單點到點信號傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進步，通過與傳感控制器的相聯(lián)，第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場控制站間是采用數(shù)字化通信。第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過開放式的、全數(shù)字雙向網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線連接智能化的現(xiàn)場設(shè)備和控制室，它是基于現(xiàn)場總線的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得將多種傳感器集成為一體，成本低廉，但測量精度低、覆蓋范圍小，通過低功耗的無線電通信技術(shù)連成網(wǎng)絡(luò)才能發(fā)揮其整體的綜合作用。第四代傳感器網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多種無線通信技術(shù)的發(fā)展，如無線電、紅外、聲波等為微傳感器間通信提供了多種選擇，以IEEE802.15.4為代表的短距離無線電通信標(biāo)準(zhǔn)奠定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)堅實的基礎(chǔ)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點如下：

通信能力有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為多跳通信模式。隨著距離的增加，通常情況下，節(jié)點的通信能耗將急劇增加。在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的情況下，應(yīng)盡可能的減小單跳通信距離。

傳感器節(jié)點電源能量有限，不能通過更換電池的方式補充能量。節(jié)點體積微小，通常電池供電十分有限，傳感器分布區(qū)域廣，節(jié)點個數(shù)多，網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境復(fù)雜，電源能量值決定網(wǎng)絡(luò)壽命，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個突出問題就是如何高效使用能量，使網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。

計算和存儲能力有限，傳感器節(jié)點的功能比一般計算機弱。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要求必須滿足功耗小、價格低，導(dǎo)致其攜帶的存儲器容量比較小、處理器能力比較弱。

自組織網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點隨機部署，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)心不可預(yù)知。節(jié)點以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。與此同時，部分節(jié)點在通信過程中，會隨時因為各種因素而失效，為了彌補失效節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)動態(tài)變化，拓撲結(jié)構(gòu)也會隨之一起變化，它要求傳感器網(wǎng)絡(luò)還要具有網(wǎng)絡(luò)自動配制和管理功能。

大規(guī)模、高可靠性網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點的部署相當(dāng)密集，為了保證能夠完成任務(wù)，在目標(biāo)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點。節(jié)點可通過不同空間視角獲得信息，通過分布式處理，大量采集的信息監(jiān)測的精確度得到提高，減少監(jiān)測盲區(qū)，除此之外，系統(tǒng)具有很強的抗毀性和容錯性。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用節(jié)點編號標(biāo)識，但節(jié)點位置跟節(jié)點編號不存在必然聯(lián)系。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，但只能針對具體的應(yīng)用來研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3 基于距離幾何的非視距定位算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的前提是傳感器節(jié)點能夠自身定位。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多定位算法。測距定位算法在較少錨節(jié)點的應(yīng)用或要求較高定位精度或，非基于測距的定位算法需要大量的錨節(jié)點，定位精度不高。理論上，使用測距技術(shù)能提高定位精度，但節(jié)點間的距離測量容易受非視距傳輸、多徑、多址干擾影響，是測距定位中誤差的主要來源，從而損害定位精度。

在相互感知范圍內(nèi)節(jié)點間距離可以直接測量，不然需使用一些近似的方法估計距離值，由于測量躁聲和NLOS誤差的存在，距離測量值不精確，節(jié)點間存在的距離幾何。其算法利用節(jié)點間的距離幾何關(guān)系，構(gòu)造距離誤差優(yōu)化約束函數(shù)，提高定位精度，能夠有效地減少NLOS誤差。在實際中，信號的非視距傳播非常多，表現(xiàn)在信號延遲的增大、信號強度的衰落和到達角度的改變，導(dǎo)致定位誤差。完全消除NLOS誤差對定位精度的影響是不可能的，NLOS定位誤差取決于物理傳播環(huán)境，節(jié)點的距離測量值中就包含了NLOS誤差和測量隨機誤差，但可能通過一些方法盡量減少它的危害。

非視距定位技術(shù)的分類：

NLOS傳播模型定位法。其定位性能依賴于模型的準(zhǔn)確程度。

NLOS鑒別和消除定位法。通常用于LOS傳播路徑和NLOS傳播路徑并存的情況。

約束優(yōu)化定位法。經(jīng)常用于沒有任何關(guān)于NLOS誤差先驗知識的情況下。

指紋定位法。定位分為離線、定位兩個階段，適用于室內(nèi)、園區(qū)空間有限應(yīng)用環(huán)境。

針對NLos誤差的定位算法大致分為兩類：一類是建立在未知節(jié)點與錨節(jié)點及測量距離之間的幾何關(guān)系基礎(chǔ)上，稱為幾何法，;一類是稱為非幾何定位，它基于信號本身的統(tǒng)計特性或NLOS誤差。

三邊測量法是基于測距的定位算法中計算坐標(biāo)的基本途徑。常用的測距技術(shù)有TDOA AO ，RSSI和TOA。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位在計算模式上可分為分布式和集中式。分布式定位是把定位過程分布到各個節(jié)點上，直接進行自身位置估計。分布式定位中每個節(jié)點能耗相對均勻，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)的連通性得到保證。算法的可擴展性好；集中式定位從全局的角度出發(fā)，收集信息到中心節(jié)點統(tǒng)籌規(guī)劃。其主要優(yōu)點是普通節(jié)點計算負擔(dān)小，可以獲得相對精確的位置估計。但通信開銷比較大，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不連通性，當(dāng)部分節(jié)點能量失效時，需要進行新節(jié)點的補充，集中式定位算法需要重新收集節(jié)點信息，使得網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成通信開銷的浪費，可擴展性差。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位按照節(jié)點定位的先后次序不同，又可分為遞增式和并發(fā)式定位。遞增式定位從錨節(jié)點附近的節(jié)點開始，各個節(jié)點依次向外延伸定位，它存在著誤差累積的問題，并且隨機拋灑的節(jié)點間拓撲結(jié)構(gòu)不好控制，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位覆蓋率不高。并發(fā)式定位主要應(yīng)用在小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點要求參考節(jié)點具有較大的通信范圍，同時進行位置計算，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大時，較多采用遞增式定位方法。

總之，目前的定位算法仍需要較高的錨節(jié)點密度、存在定位精度不高、高通信負載和計算過于復(fù)雜等問題。為適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點的分布式定位算法具有較少的通信代價和計算代價，能有效利用多跳錨節(jié)點的位置信息。

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