基于網絡定位技術下的無線傳感器研究

邱晏華

（1.湖北工業大學，湖北 武漢 430000；2.湖北第二師范學院藝術學院，湖北 武漢 430000）

1 無線傳感器的網絡定位技術

就現階段而言，無線傳感器的網絡定位技術主要包括兩種，分別為集中定位技術與分布式定位技術。

1.1 對集中定位技術進行說明，此項技術的基本原理為，相關數據在傳感器節點的攜帶下被傳輸至一個中心位置，并在此中心位置進行運算，從而決定每個節點的位置[1]。當前，應用最為廣泛的無線傳感器集中定位技術主要是Doherty等人提出的基于凸形最優化算法的位置估計技術，但由于該技術需要較高的通信費用，且具有較高延遲，從而導致其集中結算的結果難以適應移動環境。

1.2 對無線傳感器的分布式定位技術進行分析，此技術并不要求對節點數據進行集中計算，對于單個節點而言，其只需依靠其與臨近節點間形成的有限通信方能夠決定自身位置。以位置估測機制為依據，無線傳感器的分布式定位技術又可進一步分為距離相關與距離無關定位，即Range-based和Rangefree定位。對于距離相關定位，其以點到點的角度或是絕對距離為依據實現對位置的估計，通過借助通信源、時鐘設備與通信設備的角度推導并輔之以相應的測距技術，從而實現傳感器節點的位置定位。對于距離無關定位，其目標是在無需開展復雜定位計算和盡可能涉及較少的硬件設備的基礎上為無線傳感器節點提供高精度的位置估計，通常，其借助節點的鄰近信息以及連通信息達到定位的目的。

2 網絡定位技術下無線傳感器的定位機制

2.1 Range-based定位機制

對無線傳感器基于距離相關的定位技術和機制進行研究，距離相關定位技術主要包括TOA、TDOA以及AOA三種技術。

2.1.1 對TOA技術進行分析，其是以信號傳播的時間為依據進行距離信息測算的傳感器定位技術，雖然此種技術具有較高的定位精度，但對處理計時誤差的能力卻具有較高的要求，故此方法對于無線傳感器的點對點，即Ad-hoc定位并不具備很好的適應性[2]。此外，由于基于此項技術的最基本系統為GPS，而GPS的高精度定位所需的時鐘同步設備與電子設備也具有較高的費用，進一步束縛了其在無線傳感器網絡定位中的應用。

2.1.2 對TDOA技術進行分析，此項技術在當前無線傳感器網絡定位中的應用相對廣泛，其基本原理為，通過對兩類不同信號到達的時間差進行計算，在借助已知的信號傳播速度基礎上，將時間直接轉換為距離。但需要說明的是，與TOA技術類似，該項技術也需要依靠大量且昂貴的硬件設備予以支持，故技術成本則成為限制器在無線傳感器網絡定位中應用的主要瓶頸。

2.1.3 對AOA技術進行分析。為進一步改進和完善TOA與TDOA定位技術，AOA，即“到達角度測距”技術營運而生，對此技術進行分析可知，其允許傳感器節點對與其相鄰節點所形成的相對角度進行估測，通過借助Antenna矩陣實現對信號到達時角度的測量，而后，結合估計的測距或是其他相關角度的測量方法最終獲取傳感器位置，但此種方法仍然需要較多的硬件設備維持Antenna矩陣，故而費用也相對較高。

2.2 Range-free定位機制

無線傳感器距離無關網絡定位技術主要包括了以下幾種：

2.2.1 Gentroid質心定位，此方法提出一個包括具有較強功能sink節點的異構網絡，并以sink節點為中心建立相關定位信息，在系統中，此類節點將beacons提供給其相鄰的鄰居節點，而鄰居節點在接受beacons后，便會以一個較為簡單的質心模型對自身位置進行估算，簡單來說，就是測算其所接聽的全部sink節點位置的質心，而所計算出的質心便是最終的估計位置。此方案的優勢在于可操作性強且便于實現，但不足在于，其精度取決于sink節點布置的均勻程度，在點對點布置的無線傳感器中的應用受到較大局限。

2.2.2 APIT區域定位，此種無線傳感器的距離無關定位技術以一個新的機遇去也的方式執行傳感器定位估測任務，其機制為，將環境進行分離，使其形成功能強大的sink節點（anchors）間的三角區域，而后，利用網格算法對目標節點中可能出現的最大區域予以測算。首先，目標節點從全部能夠聽得見的anchors節點中選取三個節點并進行連接，形成以三角區域，并判斷其自身是否存在這一三角區域中。其次，APIT則開始對不同的anchros進行組合重復測試，直到對全部節點組合測試完成或達到測試要求的精確度為止。最后，對目標節點在內的三角區域交集的質心進行計算，完成對目標節點大致位置的估算。

3 結語

研究結果表明，相較于距離相關網絡定位技術，距離無關網絡定位技術對無線傳感器的定位效果和可操作性等更具優勢，且受硬件設備成本的影響較小，但對于質心定位方法而言，在應用過程中仍然具有一定局限。可見未來，還需進一步加強對無線傳感器網絡定位技術的研究，從而為降低傳感器定位成本，提高其定位精度奠定良好基礎。

[1]王小平，羅軍，沈昌祥.無線傳感器網絡定位理論和算法[J].計算機研究與發展，2011，03（12）：353-363.

[2]蔡紹濱，高振國，潘海為等.帶有罰函數的無線傳感器網絡粒子群定位算法[J].計算機研究與發展，2012，06（05）：1228-1234.