基于測距的WSN節點自定位技術分析

房鑫平孫福陽李安瑩

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）

1 引言

無線傳感器網絡（WSN）是由大量的成本低、功耗少、體積微小，計算、存儲和通信能力有限的無線傳感器節點，構成的自組織網絡。在科研、軍事、民生等方面具有廣泛的應用前景。節點自定位技術就是網絡中的普通節點，按照某種定位機制確定自身的地理位置的技術。該技術是WSN中網絡協議和網絡應用基礎，因此對WSN起著關鍵作用。

從是否需要測量實際物理量的角度出發，目前在WSN中常見的定位技術可分為：距離無關（Range-free）的定位技術和基于測距（Range-based）的定位技術。

距離無關的自定位技術主要包括：質心法、APIT 法、DV-HOP法、Bounding Box 法等。該類定位技術不需要測量節點之間的絕對距離和方向等實際物理量，這樣就大大降低了對節點硬件結構的要求。此類技術具有計算復雜度低、實現簡單、通信過程簡易等優點。存在定位精度有限，誤差較大，一般無法適用于對精度有較高要求的場景的缺點。

基于測距的自定位技術主要有：RSSI、AOA、TDOA、TOF等。該類技術主要是通過獲取具體量化的物理量進行定位，具有能夠實現較精確地定位，適用面較廣，幾乎可以在各種場景中使用的優點。存在計算復雜度較高，通信量大，對節點的硬件配置有一定要求等缺點。相比較于距離無關的定位技術，基于測距的自定位技術定位精度高，擁有廣泛的適用范圍，故而本文重點討論基于測距的定位技術。

2 常見的WSN節點間測距技術

目前，常見的基于測距的WSN自定位技術主要包括：RSSI、TDOA、AOA、TOF等。其中TOF技術主要包括：TOA、TW-TOA和SDS-TW-TOA等。在實際應用中，可以根據具體要求選取合適的技術。

2.1 基于接收信號強度RSSI

RSSI技術主要是通過獲取信號在空氣中傳播的能量衰減，根據無線信號的傳播路徑損耗模型來計算出節點之間的距離。該測距技術的優點為不需要新增額外的硬件，故而測距成本不高，適用于低精度定位系統。缺點是傳播路徑損耗模型是數學上的理想模型，在實際測距時易受到周圍環境的影響，造成較大的誤差。

2.2 基于到達時間差TDOA

在TDOA技術中，發射節點發射不同傳播速度的信號，接收節點根據不同信號的到達時間和信號的不同速度，計算出兩個節點之間的距離。該技術的優點是測距精度高、通信過程簡易。該技術的缺點在于需要發射兩種不同的信號，因此需要節點添加額外的發射和接收設備，這導致該技術成本相對較高。

2.3 基于到達時間TOA

信號在空氣中傳播的速度v是常量，TOA測距技術根據信號在節點之間傳輸時間t和信號速度v計算出兩節點之間的距離。TOA測距技術具有計算量小、通信過程簡單、測距精度很高的優點。缺點為該技術要求節點之間有著嚴格的時鐘同步，這需要額外的輔助設施或者復雜、昂貴的硬件支持。高成本限制了該技術在WSN中的應用。

2.4 基于到達角度AOA

AOA技術通過陣列天線或多模接收器等獲取待測節點和兩個錨節點的方位和夾角。該技術的優點是可以提供節點的方位信息，故而需要較少的錨節點數量即可完成定位任務。缺點在于該技術需額外為節點裝備天線陣列或多模接收器等部件，這將增大傳感器節點的體積和整個網絡的成本。

2.5 TW-TOA測距方法

該技術通過記錄數據包在發送節點和接收節點之間往返的時間，計算得出兩個節點的距離。TW-TOA具有不需要增加額外的硬件或輔助設施，就可以獲得較高的測距精度，比較適合WSN網絡節點測距的優點。TW-TOA測距技術的誤差主要來自節點時鐘與標準時鐘間的時鐘偏移。缺點為相比于其他測距方式通信量偏大。

2.6 SDS-TW-TOA測距方法

SDS-TW-TOA是對TW-TOA測距法的擴展。第一階段，節點i發起測距；第二階段，節點j發起測距。每一個階段過程都和TW-TOA測距法一樣。該技術的優點是可以大大降低時鐘偏差對節點測距的影響，測距精度很高。缺點為測距過程繁瑣，需要更多的時間和能耗。

結語

近年來，WSN節點自定位的相關技術在理論研究和實際應用中取得一定成果的同時，仍然存在一些問題需要解決：

（1）各種定位技術多數有其適用的范圍，通用性不高；

（2）對實際應用中可能存在的各種情況適應性不足；

（3）對潛在的三維應用前景的研究不足。

鑒于WSN自定位技術的發展情況，筆者認為未來的研究熱點為：

（1）現有定位技術的融合，以實現更加合理和通用的定位；

（2）可以適應不同實際環境的節點自定位技術；

（3）針對WSN中移動節點的自適應定位；

（4）針對節點的三維定位技術。

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