無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位算法綜述

蔣樹(shù)港

摘要：定位是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，如何在障礙物環(huán)境下得到較高的定位精度是當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。研究表明，引入移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)能有效地在障礙物環(huán)境下提高系統(tǒng)定位精度。本文首先概述開(kāi)展障礙物環(huán)境下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位算法研究必要性，然后概述移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法和移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑問(wèn)題的兩個(gè)方面國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn) 定位算法

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息， 并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為： 軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。

傳感器的準(zhǔn)確定位既是監(jiān)測(cè)目標(biāo)位置信息的前提，也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼⒛繕?biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)等網(wǎng)絡(luò)功能的基礎(chǔ)。如何以較少的網(wǎng)絡(luò)成本獲得較多的錨節(jié)點(diǎn)位置信息，在網(wǎng)絡(luò)成本與定位性能之間取得平衡是實(shí)際應(yīng)用中值得研究的問(wèn)題。目前比較實(shí)用的定位方式是利用一些帶有GPS裝置的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)按照有效規(guī)劃的移動(dòng)路徑遍歷整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)發(fā)送包含自身坐標(biāo)的信標(biāo)數(shù)據(jù)包來(lái)定位區(qū)域中的未知節(jié)點(diǎn)。該方法有效避免了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源浪費(fèi)。對(duì)于該定位方式，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃問(wèn)題是需要解決的基本問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)領(lǐng)域主要集中在兩個(gè)方面，即移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃問(wèn)題以及移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法。

2 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑問(wèn)題

移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法中，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含其自身位置信息的信標(biāo)數(shù)據(jù)包，在其移動(dòng)過(guò)的路徑上形成多個(gè)虛擬錨節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)利用通信范圍內(nèi)的虛擬錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息進(jìn)行定位。有不少研究人員在移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑方面做了研究，也取得了相應(yīng)的成績(jī)。移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑問(wèn)題大致可分為兩類：靜態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑和動(dòng)態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑。

2.1 靜態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑

靜態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑是指：移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，研究正六邊形移動(dòng)路徑的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位算法中，假設(shè)監(jiān)測(cè)區(qū)域是正方形，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域中按照正六邊形的移動(dòng)路徑移動(dòng)，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)每隔周期廣播包含自身坐標(biāo)信息在內(nèi)的信標(biāo)數(shù)據(jù)包。信標(biāo)數(shù)據(jù)包的廣播位置形成了若干個(gè)相鄰的正三角形。未知節(jié)點(diǎn)接收通信范圍內(nèi)的移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)信標(biāo)信息，當(dāng)收到滿足條件的信標(biāo)信息后，未知節(jié)點(diǎn)用相應(yīng)的定位算法計(jì)算自身位置。以上提到的算法相對(duì)于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但是它們無(wú)法根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布狀態(tài)而靈活地變化。

2.2 動(dòng)態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑

動(dòng)態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)路徑，即根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分布情況和移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置來(lái)確定移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)下一個(gè)位置。移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)信息自適應(yīng)調(diào)節(jié)移動(dòng)路徑。動(dòng)態(tài)路徑是不規(guī)則的圖形，它利用未知節(jié)點(diǎn)分布信息動(dòng)態(tài)調(diào)整，并且使移動(dòng)路徑較短，從而彌補(bǔ)了靜態(tài)路徑的短處。

3 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法

移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法分為兩類：一類是靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位未知節(jié)點(diǎn)，另一類只是移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位未知節(jié)點(diǎn)。

3.1 靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位未知節(jié)點(diǎn)

MBAL和APP定位算法是典型的靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法，移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)通過(guò)未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位請(qǐng)求消息周期性地選擇下一個(gè)移動(dòng)位置，并廣播包含自身坐標(biāo)。未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)RSSI測(cè)距方法并接收到三個(gè)以上不共線的錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)計(jì)算出自身位置。然后，變換為靜態(tài)錨節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位未知節(jié)點(diǎn)。

3.2 移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位未知節(jié)點(diǎn)

利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度、位置信息和貝耶斯估計(jì)方法進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)。

4 小結(jié)

可以發(fā)現(xiàn)，盡管也有使用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)輔助定位的算法研究，但是大部分的研究主要停留在靜態(tài)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的路徑規(guī)劃上，并且路徑規(guī)劃大多針對(duì)單個(gè)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)，這種路徑規(guī)劃存在虛擬錨節(jié)點(diǎn)共線，移動(dòng)路徑較長(zhǎng)和定位時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。能精確定位的算法比較少且大多數(shù)研究都是假設(shè)在理想環(huán)境下，即沒(méi)有障礙物的環(huán)境下，忽略了實(shí)際應(yīng)用中存在障礙物的情況。因此障礙物環(huán)境下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位算法研究，使移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)能在繞開(kāi)障礙物的前提下，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)中未知節(jié)點(diǎn)的精確定位，達(dá)到定位精確度高、定位覆蓋范圍廣且定位時(shí)間短三個(gè)基本要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mihail L.Sichitiu，Vaidyanathan Ramadurai.Localization of wireless sensor networks with a mobile beacon [C].IEEE International Conference on Mobile Ad- hoc and Sensor Systems， pp. 174-183，Oct.2004.