無線傳感器網絡非視距定位技術

劉永奎，陳俊波

秦皇島職業技術學院信息工程系，河北 秦皇島 066100

1 無線傳感器網絡的作用

計算機、通信、自動控制、微電子機械系統和人工智能等學科的飛速發展，使無線傳感器網絡應運而生，成為目前眾多領域中的研究熱點之一。無線傳感器網絡對現代人類生活產生了極大的影響。如今，因特網為人們提供了快捷的通信平臺，人與人之間溝通交流的方式有了很大改變。無線傳感器網絡的出現引起各國工業界和學術界以及軍事部門的極大關注， 這種無基礎設施的無線網絡的節點通過無線通信形成多跳的自組織網絡系統，具有通信和計算能力的微型傳感器布置在監測區域內大量，并且非常廉價。對在網絡覆蓋區域中各種環境或感知對象信息進行協作地感知、采集和處理。優點是具有快速部署、自組、廉價、低功耗、可擴展性強以及能在惡劣和特殊的環境下正常工作等，在工農業控制、城市管理、環境監測、國防軍事、生物醫療、危險區域遠程控制、反恐救災等眾多領域具有極為廣闊的應用前景。

節點定位問題是傳感器網絡應用的基礎，近幾年對節點定位問題的研究也很廣泛。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。例如，在入侵檢測、目標跟蹤、環境監控等應用中，在什么位置或區域發生了特定事件是用戶最關心的問題。實現對外部目標的定位、跟蹤等是通過傳感器網絡節點位置有效地說明被檢測物體的位置。在網絡層，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。

由于傳感器網絡規模比較大，通常隨機部署在人類無法或不宜接近的區域，不需要干預，多用于較為惡劣的環境，如火山口附近。由于節點受到體積、重量以及制造成本等條件限制，單個節點不易得到補充，并且所能承載的能量非常有限。所以，在部署時不可能人工確定節點位置，若在每個節點上都裝備GPS定位系統，卻因其造價昂貴而不適合用于廉價的傳感器網絡節點，針對無線傳感器網絡的特點，必須設計獨特的節點定位機制和算法。

2 無線傳感器網絡

傳感器將物理世界中的一個物理量映射到一個定量的測量值，是數據采集、信息處理的關鍵部件，它使人們對物理世界形成量化認識。隨著微電子、計算機和網絡技術的發展，傳感器技術已經向著智能化、網絡化、微型化、集成化的方向發展。

無線傳感器網絡是由具有通信與計算能力的、大量無處不在的微小傳感器節點，在無人職守的監控區域密集部署，構成的根據環境能夠自主完成指定任務的智能測控網絡系統無線傳感器網絡其發展可劃分為4個階段。第一代傳感器網絡是具有簡單點到點信號傳輸功能的傳統傳感器。隨著相關學科的不斷發展和進步，通過與傳感控制器的相聯，第二代傳感器網絡組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網絡，現場控制站間是采用數字化通信。第三代傳感器網絡是通過開放式的、全數字雙向網絡現場總線連接智能化的現場設備和控制室，它是基于現場總線的智能傳感器網絡，使得將多種傳感器集成為一體，成本低廉，但測量精度低、覆蓋范圍小，通過低功耗的無線電通信技術連成網絡才能發揮其整體的綜合作用。第四代傳感器網是無線傳感器網絡，多種無線通信技術的發展，如無線電、紅外、聲波等為微傳感器間通信提供了多種選擇，以IEEE802.15.4為代表的短距離無線電通信標準奠定了無線傳感器網絡堅實的基礎。

無線傳感器網絡特點如下：

通信能力有限，無線傳感器網絡為多跳通信模式。隨著距離的增加，通常情況下，節點的通信能耗將急劇增加。在滿足網絡連通度的情況下，應盡可能的減小單跳通信距離。

傳感器節點電源能量有限，不能通過更換電池的方式補充能量。節點體積微小，通常電池供電十分有限，傳感器分布區域廣，節點個數多，網絡部署環境復雜，電源能量值決定網絡壽命，無線傳感器網絡的一個突出問題就是如何高效使用能量，使網絡生命周期最大化。

計算和存儲能力有限，傳感器節點的功能比一般計算機弱。傳感器網絡節點要求必須滿足功耗小、價格低，導致其攜帶的存儲器容量比較小、處理器能力比較弱。

自組織網絡。在傳感器網絡的應用中，傳感器節點隨機部署，節點之間的相互鄰居關心不可預知。節點以自組織方式構成網絡。與此同時，部分節點在通信過程中，會隨時因為各種因素而失效，為了彌補失效節點，網絡中的節點個數動態變化，拓撲結構也會隨之一起變化，它要求傳感器網絡還要具有網絡自動配制和管理功能。

大規模、高可靠性網絡。節點的部署相當密集，為了保證能夠完成任務，在目標區域通常部署大量傳感器節點。節點可通過不同空間視角獲得信息，通過分布式處理，大量采集的信息監測的精確度得到提高，減少監測盲區，除此之外，系統具有很強的抗毀性和容錯性。

以數據為中心的網絡，面向應用的網絡。傳感器網絡是任務型網絡，網絡節點采用節點編號標識，但節點位置跟節點編號不存在必然聯系。傳感器網絡具有非常廣闊的應用領域，但只能針對具體的應用來研究傳感器網絡技術。

3 基于距離幾何的非視距定位算法

無線傳感器網絡具有非常廣闊的應用前景，無線傳感器網絡應用的前提是傳感器節點能夠自身定位。針對無線傳感器網絡的定位問題，國內外學者提出了許多定位算法。測距定位算法在較少錨節點的應用或要求較高定位精度或，非基于測距的定位算法需要大量的錨節點，定位精度不高。理論上，使用測距技術能提高定位精度，但節點間的距離測量容易受非視距傳輸、多徑、多址干擾影響，是測距定位中誤差的主要來源，從而損害定位精度。

在相互感知范圍內節點間距離可以直接測量，不然需使用一些近似的方法估計距離值，由于測量躁聲和NLOS誤差的存在，距離測量值不精確，節點間存在的距離幾何。其算法利用節點間的距離幾何關系，構造距離誤差優化約束函數，提高定位精度，能夠有效地減少NLOS誤差。在實際中，信號的非視距傳播非常多，表現在信號延遲的增大、信號強度的衰落和到達角度的改變，導致定位誤差。完全消除NLOS誤差對定位精度的影響是不可能的，NLOS定位誤差取決于物理傳播環境，節點的距離測量值中就包含了NLOS誤差和測量隨機誤差，但可能通過一些方法盡量減少它的危害。

非視距定位技術的分類：

NLOS傳播模型定位法。其定位性能依賴于模型的準確程度。

NLOS鑒別和消除定位法。通常用于LOS傳播路徑和NLOS傳播路徑并存的情況。

約束優化定位法。經常用于沒有任何關于NLOS誤差先驗知識的情況下。

指紋定位法。定位分為離線、定位兩個階段，適用于室內、園區空間有限應用環境。

針對NLos誤差的定位算法大致分為兩類：一類是建立在未知節點與錨節點及測量距離之間的幾何關系基礎上，稱為幾何法，;一類是稱為非幾何定位，它基于信號本身的統計特性或NLOS誤差。

三邊測量法是基于測距的定位算法中計算坐標的基本途徑。常用的測距技術有TDOA AO ，RSSI和TOA。無線傳感器網絡節點定位在計算模式上可分為分布式和集中式。分布式定位是把定位過程分布到各個節點上，直接進行自身位置估計。分布式定位中每個節點能耗相對均勻，適用于大規模網絡環境，網絡的連通性得到保證。算法的可擴展性好；集中式定位從全局的角度出發，收集信息到中心節點統籌規劃。其主要優點是普通節點計算負擔小，可以獲得相對精確的位置估計。但通信開銷比較大，容易導致網絡的不連通性，當部分節點能量失效時，需要進行新節點的補充，集中式定位算法需要重新收集節點信息，使得網絡的拓撲結構發生變化，造成通信開銷的浪費，可擴展性差。

無線傳感器網絡的節點定位按照節點定位的先后次序不同，又可分為遞增式和并發式定位。遞增式定位從錨節點附近的節點開始，各個節點依次向外延伸定位，它存在著誤差累積的問題，并且隨機拋灑的節點間拓撲結構不好控制，網絡中節點定位覆蓋率不高。并發式定位主要應用在小型的傳感器網絡中，所有節點要求參考節點具有較大的通信范圍，同時進行位置計算，當網絡規模比較大時，較多采用遞增式定位方法。

總之，目前的定位算法仍需要較高的錨節點密度、存在定位精度不高、高通信負載和計算過于復雜等問題。為適用大規模無線傳感器網絡，節點的分布式定位算法具有較少的通信代價和計算代價，能有效利用多跳錨節點的位置信息。

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