無線傳感器網絡節點定位技術

吳楊 孫蔚 夏東盛 封磊

【摘要】本文從算法性能、已有的定位算法、定位算法的分類和WSN節點定位機制的評價標準等方面，針對無線傳感器的網絡定位技術進行詳細的分析和探討。并與經典的APIT算法、凸規劃定位算法進行了比較。結論顯示出在不同的環境之下不同的算法各有優劣，并不能指出最好的算法。實際操作中應該根據實際的需求來選擇算法，并對未來無限傳感器網絡節點定位技術的發展方向做出了預測。

【關鍵詞】無線傳感器;網絡節點：定位技術

前言

無線傳感器網絡（WSN）是基于微機電系統、數字電子技術和無線通信的發展上所形成的厄一種新型技術，其主要的核心內容包括有網絡通信協議、節點定位、時鐘同步覆蓋和布局等等[1]。其中，對于無線傳感器網絡空間探測、目標追蹤和環境監測等功能而言，節點定位是必不可少的技術內容，同時也是無線傳感器網絡的基礎功能之一。當前，無線傳感器網絡節點定位技術的最新研究方向主要集中在能耗、覆蓋率、節點密度、定位精度和定位系統的算法優勢上，以下將對其進行詳細的描述。

1.定位機制

無線傳感器網絡節點的分布是隨機性的，相對能量受到限制且可靠性不足，在有限的距離限制下，這就對于算法的技術提出了較高的要求。一般而言定位的機制可以分為以下幾個程序：首先是采取AOA、TDOA、TOA和RSSI等測量技術來獲取鄰居錨節點的角度和距離，并通過信息的聯通的估算節點間的實際距離[2]。然后，通過算法的運算來得出實際的距離值。一般可以采取的計算方式有極大似然估計法、三角測量法和三邊測量法等等。最后，對所得的數據進行處理和優化。

2.性能指標的評價

無線傳感器網絡節點的定位技術的性能，對其他功能都有著直接性的影響。因此在對其進行評價的方面，我們一般選取以下指標來作為對象和標準。例如，代價、功耗、自適應性和容錯性、覆蓋率、錨節點密度和定位精度等[3]。都是常用來衡量和評價無線傳感器網絡節點定位技術性能的指標。

3.無線傳感器網絡定位算法的種類

無線傳感器網絡定位算法的種類多種多樣，一般都沒有固定的標準，往往根據實際的情況來進行分類和區分。

3.1 測距定位和非測距定位

第一種采取的是測量兩個節點之間的方位和距離，根據做的的具體數據來推測兩個節點之間的大概位置。而第二種方式則無需測量精確的距離，還需要通過測量相對的距離或者位置就可以推算出兩個節點之間的大概距離，并推算出其大概位置。Range-based定位算法的常用的方式主要有到打攪測距AOA、時間差測距TDOA、到達時間測距TOA和接受信號強度測距RSSI等[4]。

3.2 相對定位和絕對定位

和物理定位基本類似，是絕對定位的特點。定位的結果通常都可以得到一個精確的位置坐標。與之相對應的相對定位方式，則是利用網絡中已知的定位節點形成的整體網絡作為基礎，以絕對定位的節點坐標為對照來定位其余的節點。這種定位方式的優點是不太容易受到節點移動的影響，在應用的范圍上具有廣闊性。并且在相對定位的基礎上還可以實現一定程度上的路由協議。這種路由協議是不需要錨節點的。

3.3 分布式計算和集中式計算

所謂的分布式計算是指根據節點和節點之間的協調和信息交換，任由節點自由進行計算的一種計算形式;而集中式計算則是指將所需要運算的信息通過節點傳輸到中心節點之后再進行定位計算，最后得到結果的一種計算方式。

3.4 松散耦合和緊密耦合

松散耦合的定義是指定位系統中的各個錨節點采取的是不需要中心控制器的協調形式和分布狀態。而緊密耦合是指各個節點通過固定的形式與中心控制器相連接，并且固定在一定的物理位置上。

3.5 粗粒度和細粒度

細粒度是指可以依據時間的長短和信息信號的強弱來判斷錨節點之間的位置。并且還可以分為基于方向測量和距離兩種不同的測量形式。而粗粒度是指依據錨節點之間的接近程度來進行節點距離的估算和測量。

4.經典無線網絡傳感器定位系統算法

怎對無線傳感器網絡節點定位的經典算法有很多種，其中在各種不同的使用環境下，不同的算法具有不同的優點和是適應性，很難說哪一種是最好的，并且由于節點的數量上的限制，計算能力和存儲能力的局限性，因此對于算法的要求是盡量的高效簡單的。經典的Range-based定位算法從精確度上而言非常不錯，但是由于大部分的系統成本較低，功率較低，因此很難運用這種能耗大，復雜性高的系統。

4.1 APIT算法

該算法的核心思想是將需要定位的節點周邊的節點位置信息收集到位，主要是形成三個已知錨節點形成的三角區域內，位置節點是否存在其中，并且運算出所有的可能性，最后對未知的節點進行精確的定位。這種算法的優點是具有較小的誤差概率，但是也會有一定的使用缺點那就是對于參考節點的密度較大，所以如果節點的密度較低的情況下，不適宜選取這種算法。

4.2 凸規劃定位算法

這種算法的基礎是來源于網絡的連通性來實現的，通過約束誘導節點之間兩點的通信連接來作為節點定位的幾何約束的基礎。這種算法的優勢在于將整個網絡模塊化并且形成了一個凸集，從而將節點定位的問題轉換成為了凸約束優化的問題來解決。

5.小結

文章中，針對經典的無線傳感器網絡節點技術的算法進行了簡答的比較和分析，并對定位的算法分類、評價的標準和性能評估都做了一定闡述，比較了算法之間的優勢。總而言之，在不同的測試環境下，不同的算法具有不同的功效，沒有說哪一種算法是最好的，因此具體采取哪種算法應該根據實際的運用需求來進行實際分析。

參考文獻

[1]王梓有，周憲英.無線傳感器網絡中AOA節點定位改進算法研究[J].電子設計工程.2012（13）.

[2]劉世森，湯朝明，吳畏.無線傳感器網絡中的TOA測距方法研究[J].工礦自動化.2012（03）.

[3]劉影，錢志鴻，王雪，李奕男.基于到達時間差的無線傳感器網絡質心定位算法[J].吉林大學學報（工學版）.2010（01）.

[4]孫妍，陶正蘇，陳德富.基于無線傳感器網絡的室內精確定位算法[J].傳感器與微系統.2009（05）.

注：基金編號：zk13-37。