水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到了生活中的各個(gè)領(lǐng)域，近年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)海洋資源的重視程度日益加深，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸走入研究人員的視線，而對(duì)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位成為研究的重點(diǎn)。本文主要對(duì)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法進(jìn)行分類，同時(shí)提出水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中遇到的問(wèn)題。

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

世界海洋資源豐富，為了更好的對(duì)海底環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)海洋資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)，就需要對(duì)水下定位技術(shù)進(jìn)行了解并研究。傳統(tǒng)的水聲定位設(shè)備存在著一定的問(wèn)題，如維護(hù)困難、部署困難、成本高、靈活性差等，同時(shí)，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(wú)法滿足實(shí)際的需求，急需一種新的水下定位方法來(lái)解決諸如此類的問(wèn)題，因此，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍的延伸，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行研究人員的視野。

1 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)飛行器等設(shè)備將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在不同的水域范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)在水中能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)穆暡▉?lái)完成水下的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接，從而形成一個(gè)具有無(wú)中心、自組織、多跳路由等特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)體系，其目的是使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠在水下協(xié)作的對(duì)感知對(duì)象的信息進(jìn)行感知、收集，并進(jìn)行處理，同時(shí)能夠發(fā)送給信息的觀察者。

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

2 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)

定位，即確定自身或目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用定位技術(shù)，可以準(zhǔn)備的確定節(jié)點(diǎn)的位置，并可以得到其他物體的位置。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)包括未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)。常用的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位方法如下：以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以得知其準(zhǔn)備位置的節(jié)點(diǎn)（信標(biāo)節(jié)點(diǎn)）為參考對(duì)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(lái)得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，從而對(duì)所觀察的對(duì)象進(jìn)行定位。

3 無(wú)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(wú)關(guān)定位算法

距離相關(guān)定位算法是指在定位的過(guò)程中，需要根據(jù)已知節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離來(lái)確定。距離無(wú)關(guān)定位算法則無(wú)需知道已知節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。由于距離相關(guān)定位算法需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離，因此需要付出更大的代價(jià)與成本對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署。而距離無(wú)關(guān)定位算法相對(duì)簡(jiǎn)單，已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將相關(guān)信息傳遞給未知節(jié)點(diǎn)，從而估計(jì)出不精確的節(jié)點(diǎn)距離，同時(shí)利用多點(diǎn)定位算法等來(lái)得到未知節(jié)點(diǎn)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(cè)距技術(shù)主要是通過(guò)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行，為了保證TOA技術(shù)的準(zhǔn)確性，需要保證節(jié)點(diǎn)之間具有高度的時(shí)間同步性。TDOA測(cè)距技術(shù)是在保證節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間同步性的同時(shí)通過(guò)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行，然而由于聲波的傳播距離有限，使得TDOA測(cè)距技術(shù)得到的距離范圍具有一定的局限性。RSSI測(cè)距技術(shù)主要是通過(guò)信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行距離的測(cè)量，然而由于相關(guān)技術(shù)的局限性，使得RSSI測(cè)距技術(shù)存在較大的誤差性。

距離無(wú)關(guān)定位算法是在網(wǎng)絡(luò)連通的基礎(chǔ)上進(jìn)行位置和距離的測(cè)量，因此，外界環(huán)境對(duì)定位測(cè)量的實(shí)行影響較小，因此，距離無(wú)關(guān)定位算法比較適合大型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。常用的距離無(wú)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(guò)中心節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得出節(jié)點(diǎn)位置的方式，此方式需要保證節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。常見(jiàn)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(diǎn)，使得中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)過(guò)多，甚至出現(xiàn)冗余的數(shù)據(jù)，另一方面，由于中心節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理，使得整個(gè)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有很大的通信開(kāi)銷，嚴(yán)重消耗了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能力，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的能夠耗盡，對(duì)準(zhǔn)確定位產(chǎn)生不良影響。因此，集中式的定位算法具有很強(qiáng)的局限性。

分布式定位算法主要是指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，而不需要中心節(jié)點(diǎn)的參與，隨后各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)信息交換和協(xié)作來(lái)完成定位。常見(jiàn)的分布式定位算法包括Dv-Hop算法、Bounding Boxl算法等。

3.3 相對(duì)定位算法和絕對(duì)定位算法

利用相對(duì)定位得到的位置坐標(biāo)是相對(duì)坐標(biāo)，即利用相關(guān)的定位方法得到目標(biāo)位置相對(duì)已知位置的相對(duì)位置，從而對(duì)其進(jìn)行定位。而利用絕對(duì)定位算法得到的位置坐標(biāo)是絕對(duì)定位，即得到的坐標(biāo)位置是絕對(duì)的，不變的。相對(duì)定位只需要已知目標(biāo)的位置，根據(jù)已經(jīng)目標(biāo)的位置來(lái)確定未知目標(biāo)的位置，操作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，適用范圍是定位精度要求不高的實(shí)際應(yīng)用。與相對(duì)定位相比，絕對(duì)定位的準(zhǔn)確度更高，且具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)也具有較強(qiáng)的適應(yīng)范圍。

3.4 粗粒度定位算法與細(xì)粒度定位算法

在水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布的，通過(guò)節(jié)點(diǎn)接近的程度而進(jìn)行的定位算法稱為粗粒度定位算法，而由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)方向的不同、時(shí)間的不同、信號(hào)強(qiáng)弱的不同、型號(hào)的不同，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)進(jìn)行定位的算法稱為細(xì)粒度定位算法。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要想獲得準(zhǔn)確度高的定位信息，就需要節(jié)點(diǎn)具有較高的能耗與之對(duì)應(yīng)，然而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身的特點(diǎn)是低成本，同時(shí)具有較低的能耗，為了滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)要求，同時(shí)為了達(dá)到較高的精度要求，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往選擇適當(dāng)?shù)摹按帧绷６榷ㄎ凰惴ê汀凹?xì)”粒度定位算法相結(jié)合的方式。

4 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位中存在的問(wèn)題

由于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有隨機(jī)部署、數(shù)量眾多、體積小的特點(diǎn)，加之部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用少的問(wèn)題，使得對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都安裝GPS定位系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，另外隨著海洋的流動(dòng)、海洋中生物的作用，可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)根據(jù)海洋進(jìn)行漂亮，從而使得節(jié)點(diǎn)的位置不固定，這就為節(jié)點(diǎn)的自身定位帶來(lái)困難。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，在水下環(huán)境中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量耗盡后不能及時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，且更換電池也不容易實(shí)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(wèn)題，這些都為水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位帶來(lái)困難。

5 結(jié)語(yǔ)

水下定位技術(shù)對(duì)開(kāi)發(fā)海洋資源、進(jìn)行海底環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)海洋災(zāi)害進(jìn)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(kāi)始對(duì)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行研究，并逐步的進(jìn)行應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果。然而由于海洋環(huán)境的特殊行，加上水下節(jié)點(diǎn)位置的不確定行，為水下定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很多困難。另一方面，水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)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(gè)問(wèn)題。因此，為了使水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更好的為人類服務(wù)、更好的進(jìn)行應(yīng)用，就必須不斷的對(duì)其進(jìn)行研究和改進(jìn)，找出更精確的方法來(lái)進(jìn)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