無線傳感器網絡節點定位技術綜述

劉潔琳 沈陽理工大學

無線傳感器網絡節點定位技術綜述

劉潔琳 沈陽理工大學

無線傳感器網絡由大量的節點組成，已知這些節點的位置信息是對傳感器網絡進行監測和控制的前提。因此，定位技術在無線傳感器網絡中起著非常重要的作用。本文首先介紹了WSN節點定位技術的分類，其次簡明介紹了節點定位技術的原理，最后分析了目前定位技術的不足之處以及未來可能的發展趨勢。

無線傳感器網絡 節點定位 定位技術

1 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種自組織網絡，它包含大量具有感知能力、計算能力和通信能力的傳感器節點。定位技術是WSN應用中的關鍵技術之一，是當前研究的熱點。目前，根據不同的定位方法定位算法分為兩大類：基于測距算法（range-based）和非測距算法（range-free）。基于測距的定位算法對系統的硬件有很高的要求，其主要利用超聲波和無線電等信號計算出節點間的角度或信號強度等信息來計算節點間的距離，從而計算位置節點的位置坐標。現有的測距技術有RSSI、TDOA、TOA、AOA等。基于非測距的定位方法主要利用所有節點間的連通性和參考節點的坐標來計算未知節點坐標。現有的非測距技術有質心法、APIT、凸規劃、Dv-Hop等。

2 節點定位技術

2.1 基于測距的定位方法

SI信號強度法（

Signal Strength Indication，RSSI）定位的原理是：在已知節點發送功率的前提下，對接收功率進行測量和記錄，結合當前實際環境，選取適當的參數值，使用信號傳播模型計算傳播損耗并轉換為距離值，從而得出節點間的距離。目前常用的無線信號傳播模型有三種：自由空間傳播模型、對數距離損耗模型和Shadowing模型。

（2）AOA到達角度法（Angle of Arrival，AOA）定位的原理是：首先未知節點向參考節點發射無線信號，根據參考節點上的天線測定的信號到達角度可以確定節點之間的夾角，最后利用幾何解析式計算出未知節點的坐標。

（3）TOA到達時間法（Time of Arrival，TOA）定位的原理是：利用“速度—時間”距離公式，通過測量未知節點與至少3個參考節點之間的信號傳播時間，并將傳播時間乘以信號傳播速度，最終得到未知節點與參考節點之間的距離。TOA要求未知節點和參考節點之間有很高精度的時鐘同步。假設通過測量方式記錄到未知節點O（x0,y0）與各參考節點A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x0,y0）之間信號傳播時間分別為t1、t2、t3，設信號傳播的速度為c，分別以A、B、C為圓心，ct1、ct2、ct3為半徑作圓，各個圓的交點就是未知節點的坐標位置。

（4）TDOA到達時間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）的定位通常由兩種實現方法。一種是當未知節點接收到來自同一個參考節點發送的兩種不同無線信號時，記錄兩種信號的到達時間，再根據兩種信號不同的傳播速度，利用距離公式計算出未知節點到參考節點間的距離。

另一種實現方式是未知節點O（x0,y0）同時向參考節點A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x3,y3）發送同一種信號，由于未知節點和兩個參考節點之間的距離不同，所以信號達到參考節點的時間不同，已知信號傳輸的速度v和信號到達時間差△t，可以確定O在以參考節點為焦點、距離差為VX△t的雙曲線上。通過測量至少三個參考節點之間的信號到達時間差△t就可以構成一組關于未知節點位置坐標的雙曲線方程組，求解雙曲線方程組就可以得到未知節點O的估計位置。

2.2 基于非測距的定位方法

（1）質心法

質心法是一種只涉及到網絡連通度的定位算法。該算法的原理是：在傳感器網絡中篩選出能與未知節點通信的所有參考節點，以這些參考節點為頂點，構建一個多邊形區域，此多邊形的幾何質心即為該未知節點的估計位置。

（2）APIT

APIT的原理是：將傳感器網絡內所有可以與未知節點通信的參考節點挑選出來，把這些節點以的方式組成若干個三角形，遍歷所有參考節點，將最終確定區域的重心作為未知節點的坐標值。

（3）凸規劃

凸規劃算法的原理是：首先確保未知節點在三個參考節點的通信范圍內，然后以參考節點為圓心、通信長度為半徑分別作三個圓，其次對三個圓的重疊區域采用線性規劃和半規劃法可得出一個矩形，最終選取矩形的質心為此節點的位置。

（4）Dv-Hop

Dv-Hop算法的原理是：首先獲取WSN中所有節點的平均一跳距離，用此距離與節點之間的跳數相乘，由此得到未知節點與參考節點之間的距離值，最后利用三角定位的方法計算未知節點的坐標信息。

3 總結

近年來，WSN定位技術取得了很大的成果，但仍有一些共性問題需要解決精度問題；能耗和成本問題；未知環境的定位問題等。WSN定位技術是當前熱門研究領域，未來的研究可能需要：提出新的定位方法；使用新的無線介質以及多技術融合；對移動節點和三維空間的定位研究等。

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劉潔琳（1992—），女，漢族，河北石家莊市人，工學碩士，單位：沈陽理工大學信息科學與工程學院計算機應用技術專業，研究方向：系統監控與網絡管理技術。