基于測距的WSN節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)分析

房鑫平孫福陽李安瑩

（沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量的成本低、功耗少、體積微小，計(jì)算、存儲和通信能力有限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)。在科研、軍事、民生等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)，按照某種定位機(jī)制確定自身的地理位置的技術(shù)。該技術(shù)是WSN中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)，因此對WSN起著關(guān)鍵作用。

從是否需要測量實(shí)際物理量的角度出發(fā)，目前在WSN中常見的定位技術(shù)可分為：距離無關(guān)（Range-free）的定位技術(shù)和基于測距（Range-based）的定位技術(shù)。

距離無關(guān)的自定位技術(shù)主要包括：質(zhì)心法、APIT 法、DV-HOP法、Bounding Box 法等。該類定位技術(shù)不需要測量節(jié)點(diǎn)之間的絕對距離和方向等實(shí)際物理量，這樣就大大降低了對節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)的要求。此類技術(shù)具有計(jì)算復(fù)雜度低、實(shí)現(xiàn)簡單、通信過程簡易等優(yōu)點(diǎn)。存在定位精度有限，誤差較大，一般無法適用于對精度有較高要求的場景的缺點(diǎn)。

基于測距的自定位技術(shù)主要有：RSSI、AOA、TDOA、TOF等。該類技術(shù)主要是通過獲取具體量化的物理量進(jìn)行定位，具有能夠?qū)崿F(xiàn)較精確地定位，適用面較廣，幾乎可以在各種場景中使用的優(yōu)點(diǎn)。存在計(jì)算復(fù)雜度較高，通信量大，對節(jié)點(diǎn)的硬件配置有一定要求等缺點(diǎn)。相比較于距離無關(guān)的定位技術(shù)，基于測距的自定位技術(shù)定位精度高，擁有廣泛的適用范圍，故而本文重點(diǎn)討論基于測距的定位技術(shù)。

2 常見的WSN節(jié)點(diǎn)間測距技術(shù)

目前，常見的基于測距的WSN自定位技術(shù)主要包括：RSSI、TDOA、AOA、TOF等。其中TOF技術(shù)主要包括：TOA、TW-TOA和SDS-TW-TOA等。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體要求選取合適的技術(shù)。

2.1 基于接收信號強(qiáng)度RSSI

RSSI技術(shù)主要是通過獲取信號在空氣中傳播的能量衰減，根據(jù)無線信號的傳播路徑損耗模型來計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的距離。該測距技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為不需要新增額外的硬件，故而測距成本不高，適用于低精度定位系統(tǒng)。缺點(diǎn)是傳播路徑損耗模型是數(shù)學(xué)上的理想模型，在實(shí)際測距時(shí)易受到周圍環(huán)境的影響，造成較大的誤差。

2.2 基于到達(dá)時(shí)間差TDOA

在TDOA技術(shù)中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射不同傳播速度的信號，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同信號的到達(dá)時(shí)間和信號的不同速度，計(jì)算出兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是測距精度高、通信過程簡易。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于需要發(fā)射兩種不同的信號，因此需要節(jié)點(diǎn)添加額外的發(fā)射和接收設(shè)備，這導(dǎo)致該技術(shù)成本相對較高。

2.3 基于到達(dá)時(shí)間TOA

信號在空氣中傳播的速度v是常量，TOA測距技術(shù)根據(jù)信號在節(jié)點(diǎn)之間傳輸時(shí)間t和信號速度v計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間的距離。TOA測距技術(shù)具有計(jì)算量小、通信過程簡單、測距精度很高的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)為該技術(shù)要求節(jié)點(diǎn)之間有著嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，這需要額外的輔助設(shè)施或者復(fù)雜、昂貴的硬件支持。高成本限制了該技術(shù)在WSN中的應(yīng)用。

2.4 基于到達(dá)角度AOA

AOA技術(shù)通過陣列天線或多模接收器等獲取待測節(jié)點(diǎn)和兩個錨節(jié)點(diǎn)的方位和夾角。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以提供節(jié)點(diǎn)的方位信息，故而需要較少的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量即可完成定位任務(wù)。缺點(diǎn)在于該技術(shù)需額外為節(jié)點(diǎn)裝備天線陣列或多模接收器等部件，這將增大傳感器節(jié)點(diǎn)的體積和整個網(wǎng)絡(luò)的成本。

2.5 TW-TOA測距方法

該技術(shù)通過記錄數(shù)據(jù)包在發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間往返的時(shí)間，計(jì)算得出兩個節(jié)點(diǎn)的距離。TW-TOA具有不需要增加額外的硬件或輔助設(shè)施，就可以獲得較高的測距精度，比較適合WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)測距的優(yōu)點(diǎn)。TW-TOA測距技術(shù)的誤差主要來自節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘間的時(shí)鐘偏移。缺點(diǎn)為相比于其他測距方式通信量偏大。

2.6 SDS-TW-TOA測距方法

SDS-TW-TOA是對TW-TOA測距法的擴(kuò)展。第一階段，節(jié)點(diǎn)i發(fā)起測距；第二階段，節(jié)點(diǎn)j發(fā)起測距。每一個階段過程都和TW-TOA測距法一樣。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低時(shí)鐘偏差對節(jié)點(diǎn)測距的影響，測距精度很高。缺點(diǎn)為測距過程繁瑣，需要更多的時(shí)間和能耗。

結(jié)語

近年來，WSN節(jié)點(diǎn)自定位的相關(guān)技術(shù)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中取得一定成果的同時(shí)，仍然存在一些問題需要解決：

（1）各種定位技術(shù)多數(shù)有其適用的范圍，通用性不高；

（2）對實(shí)際應(yīng)用中可能存在的各種情況適應(yīng)性不足；

（3）對潛在的三維應(yīng)用前景的研究不足。

鑒于WSN自定位技術(shù)的發(fā)展情況，筆者認(rèn)為未來的研究熱點(diǎn)為：

（1）現(xiàn)有定位技術(shù)的融合，以實(shí)現(xiàn)更加合理和通用的定位；

（2）可以適應(yīng)不同實(shí)際環(huán)境的節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)；

（3）針對WSN中移動節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)定位；

（4）針對節(jié)點(diǎn)的三維定位技術(shù)。

[1]王小平，羅軍，沈昌祥.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位理論和算法[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，48（03）：353-363.

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