水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位

牛昆　杜秀娟　李同峰　馬小璐

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了生活中的各個領(lǐng)域，近年來，世界各國對海洋資源的重視程度日益加深，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸走入研究人員的視線，而對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位成為研究的重點。本文主要對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點定位技術(shù)進行分析，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法進行分類，同時提出水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中遇到的問題。

【關(guān)鍵詞】水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點 定位

世界海洋資源豐富，為了更好的對海底環(huán)境進行監(jiān)測、對海洋資源進行開發(fā)，就需要對水下定位技術(shù)進行了解并研究。傳統(tǒng)的水聲定位設(shè)備存在著一定的問題，如維護困難、部署困難、成本高、靈活性差等，同時，傳統(tǒng)的水聲定位設(shè)備的工作范圍也是非常有限的，因此，其無法滿足實際的需求，急需一種新的水下定位方法來解決諸如此類的問題，因此，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍的延伸，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)進行研究人員的視野。

1 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過飛行器等設(shè)備將大量的傳感器節(jié)點部署在不同的水域范圍內(nèi)，節(jié)點通過在水中能夠進行遠距離傳輸?shù)穆暡▉硗瓿伤碌木W(wǎng)絡(luò)信號連接，從而形成一個具有無中心、自組織、多跳路由等特點的網(wǎng)絡(luò)體系，其目的是使得傳感器節(jié)點能夠在水下協(xié)作的對感知對象的信息進行感知、收集，并進行處理，同時能夠發(fā)送給信息的觀察者。

由于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點，使得其具有以下的優(yōu)點，即覆蓋面廣、成本低、節(jié)點密集、分布隨機、自組織、容錯能力強、搜集信息準確等，同時由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的無中心的特點，可以在很大程度上提高接收信號的信噪比，提高水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點使得其能夠在惡劣的環(huán)境中進行部署和應(yīng)用。目前，應(yīng)用比較廣泛的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括二維水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和三維水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)

定位，即確定自身或目標的準確位置，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用定位技術(shù)，可以準備的確定節(jié)點的位置，并可以得到其他物體的位置。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包括未知節(jié)點和錨節(jié)點。常用的無線傳感器節(jié)點的定位方法如下：以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以得知其準備位置的節(jié)點（信標節(jié)點）為參考對象，根據(jù)三角定位法、多邊定位法、最小二乘定位法等方法來得到未知節(jié)點的坐標位置，從而對所觀察的對象進行定位。

3 無線傳感器定位算法分類

3.1 距離相關(guān)定位算法和距離無關(guān)定位算法

距離相關(guān)定位算法是指在定位的過程中，需要根據(jù)已知節(jié)點與相鄰節(jié)點的實際距離來確定。距離無關(guān)定位算法則無需知道已知節(jié)點與相鄰節(jié)點的相對位置。由于距離相關(guān)定位算法需要測量節(jié)點之間的相對距離，因此需要付出更大的代價與成本對節(jié)點進行部署。而距離無關(guān)定位算法相對簡單，已知的信標節(jié)點將相關(guān)信息傳遞給未知節(jié)點，從而估計出不精確的節(jié)點距離，同時利用多點定位算法等來得到未知節(jié)點的具體位置。

常用的距離相關(guān)定位技術(shù)包括TOA、TDOA、RSSI。TOA測距技術(shù)主要是通過信號到達的時間來進行，為了保證TOA技術(shù)的準確性，需要保證節(jié)點之間具有高度的時間同步性。TDOA測距技術(shù)是在保證節(jié)點之間時間同步性的同時通過信號到達的時間差來進行，然而由于聲波的傳播距離有限，使得TDOA測距技術(shù)得到的距離范圍具有一定的局限性。RSSI測距技術(shù)主要是通過信號的強弱進行距離的測量，然而由于相關(guān)技術(shù)的局限性，使得RSSI測距技術(shù)存在較大的誤差性。

距離無關(guān)定位算法是在網(wǎng)絡(luò)連通的基礎(chǔ)上進行位置和距離的測量，因此，外界環(huán)境對定位測量的實行影響較小，因此，距離無關(guān)定位算法比較適合大型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的距離無關(guān)定位算法包括APIT定位算法、質(zhì)心定位算法等。

3.2 集中式定位算法和分布式定位算法

集中式定位算法主要是通過中心節(jié)點對數(shù)據(jù)進行處理從而得出節(jié)點位置的方式，此方式需要保證節(jié)點之間的連通性，從而使得信息能夠順利的發(fā)送到中心節(jié)點。常見的集中式定位算法包括質(zhì)心定位算法、SPIT算法等。在集中式定位算法中，由于所有的數(shù)據(jù)信息都需要發(fā)送到中心節(jié)點，使得中心節(jié)點的數(shù)據(jù)過多，甚至出現(xiàn)冗余的數(shù)據(jù)，另一方面，由于中心節(jié)點對數(shù)據(jù)信息進行集中處理，使得整個水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有很大的通信開銷，嚴重消耗了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能力，導(dǎo)致節(jié)點的能夠耗盡，對準確定位產(chǎn)生不良影響。因此，集中式的定位算法具有很強的局限性。

分布式定位算法主要是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點獨立的對采集到的信息進行處理，而不需要中心節(jié)點的參與，隨后各個節(jié)點通過信息交換和協(xié)作來完成定位。常見的分布式定位算法包括Dv-Hop算法、Bounding Boxl算法等。

3.3 相對定位算法和絕對定位算法

利用相對定位得到的位置坐標是相對坐標，即利用相關(guān)的定位方法得到目標位置相對已知位置的相對位置，從而對其進行定位。而利用絕對定位算法得到的位置坐標是絕對定位，即得到的坐標位置是絕對的，不變的。相對定位只需要已知目標的位置，根據(jù)已經(jīng)目標的位置來確定未知目標的位置，操作簡單、容易實現(xiàn)，適用范圍是定位精度要求不高的實際應(yīng)用。與相對定位相比，絕對定位的準確度更高，且具有很強的適應(yīng)能力，同時也具有較強的適應(yīng)范圍。

3.4 粗粒度定位算法與細粒度定位算法

在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點是隨機分布的，通過節(jié)點接近的程度而進行的定位算法稱為粗粒度定位算法，而由于各個節(jié)點方向的不同、時間的不同、信號強弱的不同、型號的不同，根據(jù)節(jié)點的特點進行定位的算法稱為細粒度定位算法。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要想獲得準確度高的定位信息，就需要節(jié)點具有較高的能耗與之對應(yīng)，然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身的特點是低成本，同時具有較低的能耗，為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)要求，同時為了達到較高的精度要求，在實際應(yīng)用過程中往往選擇適當?shù)摹按帧绷６榷ㄎ凰惴ê汀凹殹绷６榷ㄎ凰惴ㄏ嘟Y(jié)合的方式。

4 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位中存在的問題

由于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有隨機部署、數(shù)量眾多、體積小的特點，加之部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的費用少的問題，使得對每一個節(jié)點都安裝GPS定位系統(tǒng)是不現(xiàn)實的，另外隨著海洋的流動、海洋中生物的作用，可能會導(dǎo)致節(jié)點根據(jù)海洋進行漂亮，從而使得節(jié)點的位置不固定，這就為節(jié)點的自身定位帶來困難。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量是有限的，在水下環(huán)境中，各個節(jié)點的能量耗盡后不能及時對節(jié)點進行充電，且更換電池也不容易實現(xiàn)。另一方面，水下的聲信道的寬帶是有一定限度的，且水下環(huán)境中的聲信道存在多徑衰落的問題，這些都為水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位帶來困難。

5 結(jié)語

水下定位技術(shù)對開發(fā)海洋資源、進行海底環(huán)境監(jiān)測、對海洋災(zāi)害進行預(yù)警等情況都能發(fā)揮很大的積極作用，而傳統(tǒng)的定位技術(shù)不能滿足水下特殊環(huán)境的要求，因此，人們開始對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位技術(shù)進行研究，并逐步的進行應(yīng)用，取得了不錯的效果。然而由于海洋環(huán)境的特殊行，加上水下節(jié)點位置的不確定行，為水下定位技術(shù)的實現(xiàn)帶來了很多困難。另一方面，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很大的差別，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性也是不容忽視的一個問題。因此，為了使水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更好的為人類服務(wù)、更好的進行應(yīng)用，就必須不斷的對其進行研究和改進，找出更精確的方法來進行相關(guān)的定位研究。

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作者單位

青海師范大學(xué) 青海省西寧市 810008