基于無線傳感器網絡的定位技術分析

羅蘭花

（賀州學院 計算機科學與信息工程學院，廣西 賀州 542800）

0 引言

無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式技術、分布式信息處理技術和無線通信技術等多項發展成熟的技術，廣泛應用在國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、城市管理、醫療衛生、反恐抗災等領域。

傳感器技術已被認為是改變未來世界的十大技術之一，2006年初，國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》指出，傳感器網絡及智能信息處理是信息產業及現代服務業的重點發展領域之一，智能感知技術和自組織網絡技術是信息技術領域的重點前沿技術。國家對傳感器網絡的支持進一步刺激了國內傳感器網絡的研究與發展。

一個典型的無線傳感器網絡體系結構如圖1所示[1]。

圖1 無線傳感器網絡體系結構

圖2 無線傳感器節點結構圖

無線傳感器網絡具有資源有限、節點能量有限、自組性、動態變化的網絡拓撲結構、規模大、分布式控制、多跳路由等特點，意味著選取定位技術時應考慮這些特點并做出權衡。

1 定位技術現狀

定位技術是無線傳感器網絡的基礎技術，也是該領域備受關注的難題。節點必需知道自己的位置然后感知數據、傳回數據并在中央處理器進行分析處理。沒有位置信息的測量數據毫無意義，節點位置的確定還有利于安全路由、拓撲控制等其它工作的展開。無線傳感器節點結構圖如圖2所示[1]。

無線傳感器網絡節點可以分為信標節點(anchor node,beacon node)和普通節點(sensor node,unknown node)兩類，信標節點也稱為錨節點。信標節點是通過GPS接收裝置獲取或人為安裝在指定地點；普通節點以隨機方式加入網絡而不知道自己的位置信息，大部分節點均為普通節點，這主要受成本、能量消耗以及應用環境等限制。節點定位就是借助少數信標節點的輔助，通過鄰居節點之間的距離、角度、拓撲關系等估算未知節點的位置的技術。

定位技術按是否使用距離信息可以分為基于距離的定位方法和距離無關的定位方法兩類。目前常用的基于距離的定位方法根據測量對象的不同分為四類：基于信號強度、基于傳輸時間、基于傳輸時間差和基于到達角度的定位方法。距離無關的定位方法則根據網絡節點密度、網絡拓撲圖和跳數等進行定位。

2 存在的問題和困難

2.1 測量誤差

目前常用的測距方法包括四種：GPS、基于RSSI測距、紅外線和超聲波測距。GPS需要硬件輔助，成本高，體積較大，精度低于10m左右；紅外線測距方法也需要硬件的輔助，精度較低；超聲波精度高，但成本昂貴；基于RSSI測距以不需要硬件支持，成本低，節點尺寸小，定位精度能滿足大部分應用要求等優勢而受歡迎，但測量誤差可能較大，如何減少誤差是其需要解決的問題。

2.2 稀疏信標節點

信標節點的位置通常是由GPS接收裝置獲得或人為安裝在指定位置。對于大規模網絡而言，人為安裝不現實；而在所有節點都安裝GPS接收裝置也不實際，不僅硬件成本無法滿足，GPS也會受到應用環境限制。所以，在無線傳感器網絡中，通常只有小部分節點是信標節點。普通節點的鄰居信標節點數不足無法進行基本的三邊測量定位。所以，稀疏信標節點也是定位技術面臨的困難。

2.3 節能

傳感器節點依靠電池供電故能量有限。另外節點資源有限，這使得節點計算能力、內存、通信能力受限制。因此，節能也是定位技術需要權衡的問題。

2.4 定位時間

定位精度在廣大學者的研究下取得了很大的進展，但多以犧牲計算工作量為前提，導致定位時間較長，所以，定位時間是需要關心的問題。

3 典型的定位算法分析

評價一個定位技術的好壞，可以通過平均定位誤差、完成定位節點占待定位節點的比例、定位復雜度、定位時間、通信開銷、能量開銷和硬件需求等。這些指標不僅可以作為定位技術的評價，通過逆向思維可知也是定位技術改進的方面。

3.1 基于距離的定位算法分析

基于接受信號強度RSSI定位算法的基本思想是通過發送射頻信息（Radio Frequency，RF），接收濾波器根據接收到的信號強弱，由信號傳播衰減模型來測算信號點到接收點的距離。該算法容易實現、硬件要求低、成本和能耗低，但由于噪聲、多徑效應、非視距以及信號傳播損耗模型與實際環境的匹配問題，易導致平均定位誤差較大。可以改進的方面有優化傳播損耗模型、減少測距誤差，提高測距的適應能力等。

基于信號傳輸距離（TOA）定位算法基本思想根據無線信號的傳播速度和信號在兩個節點之間傳播的時間來測定信號點到接收點的距離。該算法測量精度較高，但要求發射節點和接收節點之間嚴格的時間同步，硬件需求高，能量和成本開銷大。

基于信號傳輸時間差（TDOA）定位算法的基本思想是使用兩種不同傳播速度的無線信號在發射節點和接收節點之間的傳播時間差來測定信號點到接收點的距離。兩種信號一般采用射頻信號和超聲波信號。該算法測距精度高于TOA，時間同步要求比TOA低，硬件需求高，能量和成本開銷大。

3.2 距離無關的定位算法分析

DV-Hop定位算法的的基本思想與基于測距算法相似[2]。首先信標節點向網絡廣播一個信標，信標中包含此信標節點的位置信息和初始值為1的表示跳數的參數。然后將信標以泛洪方式在網絡中傳播，每被轉一次跳數增1。接收節點保留它收到的同一信標節點最小跳數值，其他更大的跳數值丟棄。這樣，網絡中所有節點都獲得了其它信標節點的最小跳數值（其中包括信標節點到信標節點的最小跳數值及位置信息），因此，可以根據位置信息獲得信標節點間的距離，再根據跳數值估算節點到三個以上信標節點的估算距離，然后用三邊測量法計算節點的位置。圖3為信標節點A到網絡節點B跳數值的示意圖。

圖3 信標節點A到網絡節點B跳數值

DV-HOP算法不需要額外硬件的支持，能量開銷小，根據網絡拓撲結構信息，無須無線電波信號，因此沒有信號傳輸距離的約束；但存在定位精度不高、定位初期獲得最小跳數的時間較長。可以改進的方向減少誤差、提高定位速度。

MDS-MAP定位算法[3]是將統計方法多維標度分析技術（MDS）運用到無線傳感器網絡的節點定位上。該算法首先根據網絡中所有節點之間的測量距離構造連接圖，同時為圖中每一條邊賦值；如果兩節點之間的距離可以測量到，則該測量距離值作為連接圖中的邊的值；如果僅知道兩節點之間的連通性，則利用最短路徑法估算得到兩節點間的距離。然后采用MDS算法估算網絡中所有節點之間的相對位置，構造MDS地圖。最后根據網絡中的若干信標節點和MDS地圖中對應的相對位置關系，找出一個可以將相對位置轉換為絕對位置的線性轉換關系，利用所找到的線性轉換關系將節點的相對位置轉換為絕對位置。

MDS-MAP定位算法與DV-Hop算法不同的是，即可用在基于距離的定位方法中，也可以用于距離無關的定位方法中。該算法硬件需求低，能量開銷小，而且只需少量信標節點，定位精度不高，定位時間較長。可以改進的方向減少誤差，降低定位復雜度。

4 小結

綜上所述，定位方法是無線傳感器網絡的關鍵技術，通過對幾種典型常用的定位算法進行分析和性能評價發現，算法在計算精度、定位時間和開銷等方面還有很大的提升空間，同時指出了算法的優缺點及改進的方向，下一步的研究工作將對基于接收信號強度RSSI定位算法和DV-Hop定位算法優化并進行仿真實驗。

［1］張松濤.無線傳感器網絡定位問題研究[D].華中科技大學,2010，5.

［2］羅維，姜秀柱，盛蒙蒙.無線傳感器網絡選擇性DV Hop定位算法[[J].傳感器與微系統，2012，31（24103）:71-737.

［3］于慧霞.無線傳感器網絡定位算法的研究[D].南京郵電大學，2012，3.

［4］劉文遠，土恩爽，陳子軍.無線傳感器網絡中DV-Hop定位算法的改進[J].小型微型計算機系統，2011，3206:1071-1074.

［5］羅坤，王建新，趙湘寧.無線傳感器網絡的地理路由算法綜述[J].計算機科學，2008，l.

［6］于明，陳曉群，何繼愛.基于RSSI測距的無線網絡定位算法研究[J].甘肅科學學報，2013，6:109-111.