無線傳感器網絡節點定位技術的研究

史志軍

【摘要】 本文主要從無線傳感器網絡的作用、無線傳感器網絡節點定位的分類、測距定位算法、基于測距的定位技術等四個方面對無線傳感器網絡節點定位技術進行分析及探討。

【關鍵詞】無線傳感器網絡 分類 算法

隨著科技的進步，計算機和智能手機的廣泛應用，無線傳感器網絡在生活中隨處可見。下文將對無線傳感器網絡中的節點定位技術進行分析。

一、無線傳感器網絡的作用

節點定位問題是傳感器網絡應用的基礎。節點定位技術是無線傳感網絡的一個主要支撐技術，無線傳感器網絡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系，極大地提高了信息的真實程度。網絡層，可以設計基于節點位置信息的路由算法，提高路由效率，減少路由發現等開銷，實現網絡的負載均衡;在應用層，系統可以智能地根據節點位置，選擇一些特定的節點來完成任務，提高系統的存活時間，降低整個系統的能耗。

二、基于無線傳感器網絡自身定位系統的分類

（一）絕對定位與相對定位。絕對定位與物理定位類似，定位結果是一個坐標位置。而相對定位通常是以傳感區域某點為參考，建立整個網絡的相對坐標系統。 （二）物理定位與符號定位。經緯度就是物理位置;而某個節點在某街道的某門牌的建筑物內就是符號位置。（三）集中式計算與分布式計算定位。集中式計算是指把所需信息傳送到某個中心節點，并在那里進行節點定位計算的方式;分布式計算是指依賴節點間的信息交換和協調，由節點自行計算的定位方式。（四）移動信標與固定信標定位。移動信標節點是一類裝備了GPS或其它定位裝置的可移動節點，它在移動的過程中周期性發布自己的位置信息。

三、測距定位算法

3.1測距/測角技術

（一）接收信號強度（RSSI）：根據接收到的RSSI值計算出信號的傳播損耗，然后利用信號傳播模型將其轉化為距離信息，該技術主要使用RF信號。商業無線芯片本身具有RSSI獲取功能，無需額外硬件;故其是一種低功率、低成本的測距技術。（二）信號傳播時間（TOA）：已知信號的傳播速度根據信號兩點間的傳播時間來計算傳輸距離，需要精確的時間同步，因此需要昂貴的、高能耗的電子設備來確保時間同步，如GPS定位系統。 （三）信號傳播時間差（TDOA）：根據兩種信號在兩點間的到達時間差及信號傳播速度計算出兩點間的距離，不需要時間同步。

3.2定位計算方法

3.2.1三邊測距法和多邊測距法

在二維空間中，知道一點到三點或三點以上的距離就可以確定該點的坐標。三邊測距法的原理就是求解三個已知半徑和圓心坐標的圓的交點，可表示為：（x-x1）2+（y -yi）2=r2i，i=l，2，3（1）。設錨節點坐標分別為（xl，yl），（x2，y2），…，（xk，yk），未知節點S的坐標為（x，y），S到錨節點的測量距離為Si;根據最小二乘法原理：

設目標函數：F=min∑（dSi - S1）2式中：dSi=（x-xi）2+（y -yi）2采用優化的方法使估計位置與實際位置間的差最小，從而估計出節點S的坐標。

3.2.2三角測距法

三角測距法也稱AOA定位法，如圖l（c）所示，設參考節點A和B的坐標分別為（xl，yl），（x2，y2），待定位節點S的坐標為（x，y），節點S到參考節點A和B的角度分別為θ 1和θ 2，則有如下關系式：tanθi=x - xiy - yi，i=l，2（2）通過上述非線性方程組可得未知節點S的坐標（x，y）。

四、基于測距的定位技術

4.1基于RSSI的定位

在基于接收信號強度指示的RSSI定位技術中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據接收信號的強度，計算出傳播損耗，利用理論的或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離，然后再計算出節點的位置，該技術主要使用RF信號。

4.2基于TOA的定位

在基于到達時間的TOA定位技術中，已知信號的傳播速度，根據信號的傳播時間來計算節點間的距離，然后利用已有的算法計算出節點的位置。

4.3基于TDOA的定位

在基于到達時間差的TDOA定位技術中，發射節點同時發射兩種不同傳播速度的信號，接收節點根據兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度計算它和發射節點之間的距離，再根據已有的基本定位算法定位節點。

4.4基于AOA的定位

在基于到達角度的AOA定位技術中，接收節點通過天線陣列或多個超聲波接收器探測發射節點信號的到達方向，計算它和發射節點之間的相對方位，再通過三角測量法計算出節點的位置。

五、結束語

總之，無線傳感器網絡節點技術，作為新興的科技技術的代表，要掌握其技術要點，在應用的同時也要注重對技術的創新，使其得到更廣泛的應用。

參 考 文 獻[1]豐皇.無線傳感器網絡節點定位技術綜述.信息技術.2013年3月，第2期，66-68[2]王福豹.無線傳感器網絡節點定位系統與算法的研究和發展，信息與控制.2012年4月，第4期，43-47