水下無線傳感器網絡節點定位

牛昆　杜秀娟　李同峰　馬小璐

摘 要 隨著科學技術的不斷發展，無線傳感器網絡應用到了生活中的各個領域，近年來，世界各國對海洋資源的重視程度日益加深，水下無線傳感器網絡逐漸走入研究人員的視線，而對水下無線傳感器網絡的節點定位成為研究的重點。本文主要對水下無線傳感器網絡及其節點定位技術進行分析，并對無線傳感器網絡定位算法進行分類，同時提出水下無線傳感器網絡定位中遇到的問題。

【關鍵詞】水下無線傳感器網絡 節點 定位

世界海洋資源豐富，為了更好的對海底環境進行監測、對海洋資源進行開發，就需要對水下定位技術進行了解并研究。傳統的水聲定位設備存在著一定的問題，如維護困難、部署困難、成本高、靈活性差等，同時，傳統的水聲定位設備的工作范圍也是非常有限的，因此，其無法滿足實際的需求，急需一種新的水下定位方法來解決諸如此類的問題，因此，作為無線傳感器網絡范圍的延伸，水下無線傳感器網絡節點定位技術進行研究人員的視野。

1 水下無線傳感器網絡

水下無線傳感器網絡是通過飛行器等設備將大量的傳感器節點部署在不同的水域范圍內，節點通過在水中能夠進行遠距離傳輸的聲波來完成水下的網絡信號連接，從而形成一個具有無中心、自組織、多跳路由等特點的網絡體系，其目的是使得傳感器節點能夠在水下協作的對感知對象的信息進行感知、收集，并進行處理，同時能夠發送給信息的觀察者。

由于水下無線傳感器網絡自身的特點，使得其具有以下的優點，即覆蓋面廣、成本低、節點密集、分布隨機、自組織、容錯能力強、搜集信息準確等，同時由于傳感器網絡的無中心的特點，可以在很大程度上提高接收信號的信噪比，提高水下無線傳感器網絡的性能。水下無線傳感器網絡的優點使得其能夠在惡劣的環境中進行部署和應用。目前，應用比較廣泛的水下無線傳感器網絡包括二維水下無線傳感器網絡和三維水下無線傳感器網絡。

2 水下無線傳感器網絡節點定位技術

定位，即確定自身或目標的準確位置，在無線傳感器網絡中應用定位技術，可以準備的確定節點的位置，并可以得到其他物體的位置。在無線傳感器網絡中的節點包括未知節點和錨節點。常用的無線傳感器節點的定位方法如下：以無線傳感器網絡中可以得知其準備位置的節點（信標節點）為參考對象，根據三角定位法、多邊定位法、最小二乘定位法等方法來得到未知節點的坐標位置，從而對所觀察的對象進行定位。

3 無線傳感器定位算法分類

3.1 距離相關定位算法和距離無關定位算法

距離相關定位算法是指在定位的過程中，需要根據已知節點與相鄰節點的實際距離來確定。距離無關定位算法則無需知道已知節點與相鄰節點的相對位置。由于距離相關定位算法需要測量節點之間的相對距離，因此需要付出更大的代價與成本對節點進行部署。而距離無關定位算法相對簡單，已知的信標節點將相關信息傳遞給未知節點，從而估計出不精確的節點距離，同時利用多點定位算法等來得到未知節點的具體位置。

常用的距離相關定位技術包括TOA、TDOA、RSSI。TOA測距技術主要是通過信號到達的時間來進行，為了保證TOA技術的準確性，需要保證節點之間具有高度的時間同步性。TDOA測距技術是在保證節點之間時間同步性的同時通過信號到達的時間差來進行，然而由于聲波的傳播距離有限，使得TDOA測距技術得到的距離范圍具有一定的局限性。RSSI測距技術主要是通過信號的強弱進行距離的測量，然而由于相關技術的局限性，使得RSSI測距技術存在較大的誤差性。

距離無關定位算法是在網絡連通的基礎上進行位置和距離的測量，因此，外界環境對定位測量的實行影響較小，因此，距離無關定位算法比較適合大型的無線傳感器網絡。常用的距離無關定位算法包括APIT定位算法、質心定位算法等。

3.2 集中式定位算法和分布式定位算法

集中式定位算法主要是通過中心節點對數據進行處理從而得出節點位置的方式，此方式需要保證節點之間的連通性，從而使得信息能夠順利的發送到中心節點。常見的集中式定位算法包括質心定位算法、SPIT算法等。在集中式定位算法中，由于所有的數據信息都需要發送到中心節點，使得中心節點的數據過多，甚至出現冗余的數據，另一方面，由于中心節點對數據信息進行集中處理，使得整個水下無線傳感器網絡中有很大的通信開銷，嚴重消耗了無線傳感器網絡中的能力，導致節點的能夠耗盡，對準確定位產生不良影響。因此，集中式的定位算法具有很強的局限性。

分布式定位算法主要是指無線傳感器網絡中的通信節點獨立的對采集到的信息進行處理，而不需要中心節點的參與，隨后各個節點通過信息交換和協作來完成定位。常見的分布式定位算法包括Dv-Hop算法、Bounding Boxl算法等。

3.3 相對定位算法和絕對定位算法

利用相對定位得到的位置坐標是相對坐標，即利用相關的定位方法得到目標位置相對已知位置的相對位置，從而對其進行定位。而利用絕對定位算法得到的位置坐標是絕對定位，即得到的坐標位置是絕對的，不變的。相對定位只需要已知目標的位置，根據已經目標的位置來確定未知目標的位置，操作簡單、容易實現，適用范圍是定位精度要求不高的實際應用。與相對定位相比，絕對定位的準確度更高，且具有很強的適應能力，同時也具有較強的適應范圍。

3.4 粗粒度定位算法與細粒度定位算法

在水下無線傳感器網絡中，節點是隨機分布的，通過節點接近的程度而進行的定位算法稱為粗粒度定位算法，而由于各個節點方向的不同、時間的不同、信號強弱的不同、型號的不同，根據節點的特點進行定位的算法稱為細粒度定位算法。在無線傳感器網絡中，要想獲得準確度高的定位信息，就需要節點具有較高的能耗與之對應，然而無線傳感器網絡節點本身的特點是低成本，同時具有較低的能耗，為了滿足無線傳感器網絡的系統要求，同時為了達到較高的精度要求，在實際應用過程中往往選擇適當的“粗”粒度定位算法和“細”粒度定位算法相結合的方式。

4 水下無線傳感器網絡節點定位中存在的問題

由于水下傳感器網絡中的節點具有隨機部署、數量眾多、體積小的特點，加之部署無線傳感器網絡的費用少的問題，使得對每一個節點都安裝GPS定位系統是不現實的，另外隨著海洋的流動、海洋中生物的作用，可能會導致節點根據海洋進行漂亮，從而使得節點的位置不固定，這就為節點的自身定位帶來困難。無線傳感器網絡中節點的能量是有限的，在水下環境中，各個節點的能量耗盡后不能及時對節點進行充電，且更換電池也不容易實現。另一方面，水下的聲信道的寬帶是有一定限度的，且水下環境中的聲信道存在多徑衰落的問題，這些都為水下無線傳感器網絡節點定位帶來困難。

5 結語

水下定位技術對開發海洋資源、進行海底環境監測、對海洋災害進行預警等情況都能發揮很大的積極作用，而傳統的定位技術不能滿足水下特殊環境的要求，因此，人們開始對水下無線傳感器網絡的節點定位技術進行研究，并逐步的進行應用，取得了不錯的效果。然而由于海洋環境的特殊行，加上水下節點位置的不確定行，為水下定位技術的實現帶來了很多困難。另一方面，水下無線傳感器網絡與傳統的無線傳感器網絡存在很大的差別，水下傳感器網絡的安全性也是不容忽視的一個問題。因此，為了使水下無線傳感器網絡更好的為人類服務、更好的進行應用，就必須不斷的對其進行研究和改進，找出更精確的方法來進行相關的定位研究。

參考文獻

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作者單位

青海師范大學 青海省西寧市 810008