無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究

田立偉 孫宇

摘 要 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中的主要技術(shù)指標(biāo)之一，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)受基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)連通性、節(jié)點(diǎn)密度、測(cè)距誤差和通信開(kāi)銷等方面的制約。首先介紹影響的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)定位的因素，闡述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的定位方法，最后指出最新的定位算法及解決方法。

關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)定位 定位算法 物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱WSN）是伴隨無(wú)線通信、電子與傳感技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，它是對(duì)傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的融合，已成為國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的研究重點(diǎn)，也是跨學(xué)科的研究熱點(diǎn)。

在 WSN 的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，確定節(jié)點(diǎn)的位置十分重要，定位技術(shù)是 WSN的主要技術(shù)指標(biāo)之一。在研究節(jié)點(diǎn)的定位時(shí)，需要考慮的因素較多：比如基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)的連通性、節(jié)點(diǎn)密度、錨節(jié)點(diǎn)密度、測(cè)距誤差、通信開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷等。因此，從節(jié)點(diǎn)定位的方法到算法的研究再到節(jié)點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)并不是一件容易的事情，需要不斷的嘗試和探索。

1影響節(jié)點(diǎn)定位的因素

影響節(jié)點(diǎn)定位的因素很多，如網(wǎng)絡(luò)的連通性、節(jié)點(diǎn)密度、錨節(jié)點(diǎn)密度、測(cè)距誤差、基礎(chǔ)設(shè)施、通信開(kāi)銷和計(jì)算開(kāi)銷等。

網(wǎng)絡(luò)的連通性與網(wǎng)絡(luò)的連通度對(duì)于定位算法是一個(gè)很重要的影響因素。網(wǎng)絡(luò)的連通性定義為如果節(jié)點(diǎn)之間可以直接互相通信，就稱這對(duì)節(jié)點(diǎn)是連通的。聯(lián)通度是形成網(wǎng)的連通概率的多少，定位系統(tǒng)達(dá)到的覆蓋率能有多大。錨節(jié)點(diǎn)也稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、燈塔節(jié)點(diǎn)等，可通過(guò)某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)，它是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的核心要素，錨節(jié)點(diǎn)的密度越大說(shuō)明已經(jīng)節(jié)點(diǎn)位置的節(jié)點(diǎn)就多，為了降低開(kāi)始部署時(shí)的錨節(jié)點(diǎn)密度，可以考慮將已定位的未知節(jié)點(diǎn)升級(jí)為錨節(jié)點(diǎn)。預(yù)先不知道自身位置的是未知節(jié)點(diǎn)或待定位節(jié)點(diǎn)，需使用錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并運(yùn)用一定的算法得到估計(jì)位置的節(jié)點(diǎn)。基礎(chǔ)設(shè)施是協(xié)助節(jié)點(diǎn)定位且已知自身位置的固定設(shè)備，如衛(wèi)星基站、GPS等。測(cè)距技術(shù)是任何定位技術(shù)的核心。跳數(shù)是定位系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的一個(gè)很重要的原因。

2節(jié)點(diǎn)定位的方法

目前WSN的定位方法較多，根據(jù)傳感器接收信息的方式和節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)方式采取不同的定位方法。傳感器接收和采集信息受距離、角度、時(shí)間和周圍錨節(jié)點(diǎn)信息的影響，這些數(shù)據(jù)也是定位算法的計(jì)算基礎(chǔ)。無(wú)論采用什么樣的數(shù)據(jù)處理方式，其目的都是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)，完成定位功能。

目前節(jié)點(diǎn)定位的方法主要分為三類：一是根據(jù)是否測(cè)量距離分為距離相關(guān)方法和距離無(wú)關(guān)方法。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)?；旌鲜褂?。二是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連通性分為單跳方法和多跳方法，單跳方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但只使用于測(cè)量距離小的場(chǎng)合。多跳方法應(yīng)用廣泛，使用于傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況。三是根據(jù)數(shù)據(jù)的處理方式可分為：集中式方法和分布式方法。集中式處理方法可以使數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心匯總，集中處理，但通信量較大。但傳感器采集的信息是基于周圍的節(jié)點(diǎn)時(shí)，分布式方法在自身的后臺(tái)執(zhí)行定位算法，降低了網(wǎng)絡(luò)通信量，但是分布式算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在很多平臺(tái)上很難開(kāi)展?；诒姸鄬W(xué)者的研究，普遍認(rèn)為基于距離相關(guān)和距離無(wú)關(guān)的方法更加實(shí)用。

3節(jié)點(diǎn)定位算法

3.1 基于距離的算法

基于距離相關(guān)的算法需要測(cè)定錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離或是角度信息，再根據(jù)三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法來(lái)確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。根據(jù)測(cè)量技術(shù)可以分為：基于RSSI的算法，該算法對(duì)硬件要求相對(duì)較低，功耗低，但誤差大，不適用；基于 TOA/TDOA和基于AOA的算法對(duì)硬件要求較高，功耗大，誤差小，適用性強(qiáng)。

基于距離無(wú)關(guān)的算法不需要確定節(jié)點(diǎn)之間的距離長(zhǎng)度，對(duì)硬件的要求相對(duì)就較低，從而更適合用于無(wú)線傳感器網(wǎng)。常見(jiàn)的有質(zhì)心、DV-Hop、APIT、Amorphous、凸規(guī)劃等5種定位算法。但是基于距離無(wú)關(guān)的算法多處于理論研究階段，適應(yīng)范圍有一定的局限性，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要考慮基于距離相關(guān)的算法。

3.2節(jié)點(diǎn)定位新算法

（1）基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法：利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)自身的可定位性和可移動(dòng)性定位無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的局部節(jié)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)時(shí)需要科學(xué)規(guī)劃移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑和合理的定位機(jī)制。

（2）立體三維定位算法：從傳統(tǒng)的二位平面結(jié)構(gòu)提升到三維空間，但獲取更準(zhǔn)確的錨節(jié)點(diǎn)需要尋求更精確的廣播周期和消息生存周期，縮減定位時(shí)間需要改進(jìn)錨節(jié)點(diǎn)的選擇和過(guò)濾機(jī)制等。

（3）智能定位算法：隨著低功耗技術(shù)、微處理器技術(shù)、FPGA技術(shù)的發(fā)展，智能定位算法將在未來(lái)的定位系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

4小結(jié)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位具有重要的意義，決定著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。目前，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)面臨著諸多問(wèn)題，無(wú)論是定位方法和定位算法上都有許多需要改進(jìn)的地方。隨著技術(shù)的發(fā)展協(xié)作定位技術(shù)、跨層設(shè)計(jì)、移動(dòng)跟蹤等方法將成為研究熱點(diǎn)。

基金項(xiàng)目：廣東科技學(xué)院課題《無(wú)線傳感技術(shù)在智能物流中的應(yīng)用研究》，立項(xiàng)編號(hào)：GKY-2012KYYB-4

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