無線傳感器網絡定位技術研究

謝聰

（湖南國防工業職業技術學院 湖南省湘潭市 411207）

無線傳感器網絡屬于一種融合性技術，其是對信息處理技術、傳感技術、網絡通信技術等相關技術的融合，不但能夠實現對環境、空間的實時監測目標，同時也能夠完成數據信息收集、節點定位等任務，目前已在多個領域中廣泛推廣及應用，包括軍事領域、交通領域等。

1 無線傳感網絡定位技術

相關研究人員在對該技術進行研究的過程中，依據不同的分類標準能夠分成較多類別。將測量的數據信息當做依據，能夠將測量的數據信息分成：測距定位以及非測距定位。

1.1 測距定位技術

可以將該技術細致地劃分，依照時間需要劃分成：TOA--信號傳輸時間模式與TDOA--信號傳輸時間差模式。TOA 模式關鍵是依照信息數據傳輸的時間，實現對傳播距離的精準測定，并據此進行準確定位。同時，該種模式也被劃分為不同的算法，即單程測距、雙程測距[1]。對于前者，各個節點需要保障時間具有較高的同步性，一旦不能同步，那么則會導致定位不準確；對于后者，其并不會受到時間是否同步的影響，即使在時間節點上有差異，也能夠實現最終的準確定位目標，但是，要保證本地的時間足夠精準，若是本地的時間出現錯誤，將會對差距精準性影響，導致定位結構不夠精準，影響到工作后續的推進。

TDOA 模式作為TOA 模式的革新與升級，其是對現代技術的充分利用，實現對信號的準確接收和傳送，而在此過程中，通過對兩個節點之間信號時間差的測量，即可完成對節點間距進行精準計算，從而保障定位的精準度與高效性。加之，還有運用達到的角度對測距精準地定位類AOA 技術--到達角度測距技術。但是需要注意，在對AOA 技術進行利用的過程中，需要技術人員能夠依據陣列天線將未知的錨節點與節點夾角等相關數據精準地測量出，而后在開展精準測距。

但是陣列的天線在施工與建設的時候所需投入的成本相對較高，與此同時，在運用內信號數據傳播將會被電磁波以及非視距各類因素共同干擾，導致最終測量的結果并不是很準[2]。另外，在使用相關測距定位技術時，需要相關測量人員能夠重視節點具體坐標的計算，以此確保定位精準。最后，在對未知性錨點與節點間角度數據信息與距離數據獲得之后，可運用的計算坐標方式包含：

1.1.1 三邊定位方式

在采用該種方式進行定位的過程中，對未知階段的要求相對較高，需要知道其四周已有具有坐標的三個錨節點。在此基礎上，技術人員通過對距離與坐標之間的計算公式，實現對未知坐標節點具體坐標的準確計算，以便于對目標進行精準地定位。該類方式對測量距離精準度需求不高，技術工作人員所示測量不夠精準也不會導致定位精準度出現誤差與下降狀況。

如圖1 所示，已知A、B、C 三個節點的坐標分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它們到未知節點D 的距離分別為da，db，dc，假設節點D 的坐標為（x，y）。

圖1：三邊測量法示意圖

圖2：三角測量法示意圖

1.1.2 三角定位方式

該種方式于AOA技術內依據對有關角度數據信息的準確測量，實現對未知性節點坐標的確定。同時，該種技術對未知階段的要求也比較高，需要至少三個已知坐標的錨節點，除此以外還需要其中的任意兩個都可以與未知性節點共同確定出一個圓，從而獲得三個圓。而后運用已知的角度與坐標，將三個圓中圓心位置與半徑數據進行獲得。再把其轉變成三邊定位，最后運用三邊定位模式，將未知的各個節點坐標精準求出，進一步的進行定位。

如圖2 所示，已知A、B、C 三個節點的坐標分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），節點D 相對于節點A、B、C 的角度分別為：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假設節點D 的坐標為（x，y）。對于節點A 和C 以及∠ADC，如果AC 在△ABC 內，則唯一能夠確定一個圓，設圓心為O1（xo1，yo1），半徑為r1，則α=∠AO1C=（2π—2∠ADC）。

1.1.3 多邊定位方式

縱然運用三個錨節點就能夠將未知的各個節點坐標信息數據計算出，已達到地位的目的。但，若是可以對未知的各個節點四周眾多錨節點坐標確定，就可以提升計算的精準度，提升定位的高效性與精準性，這就是多變定位的具體思路。

1.2 非測距定位技術

該種技術主要是一類不需要對開展節點之間距離或角度進行準確測量，即可在知道錨節點的有關信息與網絡所具有的連通性質基礎上，實現對未知節點位置準確估測的目標。目前，在對該技術進行應用的過程中，較為常見的有以下幾種：

1.2.1 質心定位技術

該類技術能夠顯著的降低無線傳感網絡定位過程中所需要投入的成本，只要在網絡連通的狀態下，即可實現對未知節點的定位目標。技術人員在采用該技術進行定位時，可分成三步實現對未知節點的定位：

（1）對錨節點的特性進行利用，這些錨節點會向與其相聯系的節點傳送信息數據集合，其中就包括自身的坐標。

（2）未知節點在接收到相應信息數據后，會遵循自身的閾值對數據進行整理和判斷，并將有效數據信息精準地記錄下。

（3）各個未知的節點估值坐標作為他臨近錨點所形成二維圖形的中心。

除此以外，在此過程中，如果各錨節點的分布相對規律，那么將會大大提升對未知節點定位的準確度。

1.2.2 DV-hop 定位技術

對于該種技術，主要是對通信跳數的充分利用，實現對位置節點的精準定位。所以，該種定位技術較為方便，只需要技術人員能夠將相關通信跳數準確記錄下來即可。不過，也需要技術人員注意一些問題，采用該種技術并不能實現網絡內眾多錨節點在分布不夠均勻狀況下，加之，對邊界的各個節點運用效果更是不是非常地理想。該種定位技術實現需要經歷以下幾個步驟：

（1）全部節點于通信的范圍之中往其他的節點中精準地將自身坐標、標號發送出，將兩節點間跳數數據信息發送出。各個節點所接收到的數據信息之后，將會把自身拋出，并且會對其他節點中的信息進行有效儲存。

（2）通過對所儲存的信息進行分析，可以準確地將各錨節點之間距離計算出來。

（3）利用節點之間所存在的最小跳數，即可完成對每跳間平均距離的準確計算。

（4）相關技術人員通過上述操作，即可完成對未知節點與錨節點間距的準確計算目的，確保未知節點計算的精準性。

1.2.3 APIT 定位技術

該種技術還有另一個名字，即近似三角形內點測試方法。在采用該種技術方式進行未知節點定位時，主要是讓錨節點將有效地數據信息傳遞到周圍未知節點中；其次，對這些數據信息進行整理，將與未知節點關聯并不大的錨節點剔除掉，使得定位范圍變小；最后，當未知節點接收到一定數量的信息數據后，關聯大的各錨節點會形成多個三角形區域。

經過上述一系列處理后，相關技術人員可準確判斷出未知節點是否處于其中，并據此找到準確位置。

2 無線傳感網絡定位技術性能評價

相關技術人員在進行定位的過程中，所采用的無線傳感網絡定位技術不計其數，不過都是依照定位的具體需求與實際狀況和條件，對技術具體運用性能精準評價，從而選取出最佳的、最適用的定位技術。在對性能進行評價的環節中，需要依照下面幾點標準：

2.1 精準度

關于該標準，可以說是對該種定位技術性能評價的黃金指標，如果所采用的技術無法滿足該標準，那么就算能夠滿足其他的相關標準，也失去了“定位”的真正意義。

除此以外，在驗證所用技術是否滿足該標準時，主要是對誤差具體數值與節點無線射程之間的比例進行確定。

2.2 規模

該種技術在節點時間中可以對一定范圍中幾個目標實施定位，也是性能評價中的關鍵性性能數據指標，需要依據對未知節點定位的精準需求，選擇最終的規模。

2.3 錨節點密度

在對未知節點進行定位時，錨節點是必不可少的因素，輔以GPS 定位或人工定位實現對未知節點的定位目標。

人工定位會被網絡環境所影響，導致其可擴展的能力顯著降低。但是GPS 定位將會大幅度地提升網絡使用價值，會對錨節點密度影響，這就需要技術工作人員依照具體需求進行抉擇。

2.4 節點密度

節點密度數據指標將會對較多定位模式有影響，提升節點的數量不但會將網絡部署投入費用提高，還可能會因為節點之間的通信量大，導致出現通信沖突，導致網絡出現阻塞。對此，在對定位技術進行選擇的時候，需要依據實際需求，對節點密度進行確定，并據此合理選擇定位技術。

2.5 容錯與自適應

在開展定位工作的過程中，所采用技術中的算法與定位系統對相應因素也有一定要求，尤其是網絡中節點設備，以及無線通信環境。另外，還需要注意，在實際定位的過程中，所處環境并不樂觀，有較多的影響性因素，導致定位出現誤差，造成設備出現失效狀況，而且在環境與能耗等眾多因素的影響下，替換與維護將難以繼續。這就需要技術工作人員在對定位技術進行選取的時候，需要對所運用的硬件與軟件進行選擇，確保硬件與軟件容錯性與自適應性，從而提升其環境使用能力、自動調整能力與重構與糾錯力，確保精準度可以提升。

2.6 功耗

在進行定位的過程中，所用傳感器的節點在運行時，也是需要消耗一定能量的，所以還需要注意“功耗”這一標準。因此，為了有效解決電池能量有限這一問題，需要在保障其精準程度的狀況下，不斷加強對低功耗技術的研究。

3 無線傳感器網絡定位技術的實際應用

上述對無線傳感器網絡定位技術進行了簡單分析，下面以軍事領域對該技術的實際應用為例，對其進行再度說明：

3.1 智能塵埃

其屬于軍事上對該技術應用的主要儀器，是一個集數據收集、定位和信息傳遞等功能于一身的監測系統。將其應用于實際軍事中，能夠完成對特定目標的準確定位，同時還能夠實現對其的實時監測目標。

3.2 SSW系統

對于該系統，其屬于全新類的傳感器網絡。這一系統做功的基礎思路為：在實際應用中，將諸多傳感器放置到戰場中，據此完成數據收集、定位等任務。最后，由該系統進行數據匯總，實現對實際場景的繪制，方便參戰人員對于戰場態勢的感知能力。

3.3 目標定位

該種方式主要是采用微型傳感器，通過對音頻數據信息的收集，實現對目標的定位。但是需要注意，在三維空間內，可能會有延遲，所以需要對延遲進行控制。

4 結束語

綜上所述，在網絡技術大力發展的背景下，無線傳感器網絡定位技術的應用也越來越廣泛，并在各個領域發揮了重要作用，有效彌補了網絡在各領域應用中的不足和缺陷。但是需要注意，無線傳感器網絡定位技術在不同領域、場合應用時，需要相關技術人員能夠對節點的規模、成本及系統、定位精度等需求進行綜合考慮，并做好相應設計，以此確保無線傳感器網絡定位技術的應用價值得到充分體現。