基于距離的無線傳感器網絡節點定位算法研究

袁春艷

（西安財經學院行知學院,710038）

基于距離的無線傳感器網絡節點定位算法研究

袁春艷

（西安財經學院行知學院,710038）

由于多徑、干擾、遮擋等多種因素的存在，使用RSS 方法測距的精度較低，因此必須采用合理的算法來減小測距誤差對定位精度的影響，通過多次實驗和改變參數可以獲得較好的仿真結果。

定位；無線傳感器網絡；距離；接受信號強度法

0 引言

無線傳感器網絡中定位是很重要的，沒有位置信息的數據是沒有實際意義的，要定位監測區域中的檢測的目標最先要確定無線網絡節點所在位置，因此無線網絡的節點位置所在尤為重要。節點自身定位分為基于距離和不基于距離兩大類，本課題研究基于距離的無線網絡傳感器節點額位置所在。

文章主要說明了無線網絡傳感器中的重要問題，說明了相關的一些主要解決方法，指出了其中的優點和不足，指出了新的看法和構思。無線網絡傳感器的節點組成部分、網絡的組織結構，充分解析了無線網絡傳感器的特點及其與現有網絡的區別，列舉說明了基本的定位方法和測距方法，分析了基本定位方法和測距方法的準確性。并在實際應用中使用了改進的三邊測量法。并在觀測過數據的基礎上進行仿真，進行了對比，最終獲得了較好的結果。

1 計算基于距離的節點自身定位方法

1.1 到達時間法TOA

到達時間TOA(Time of Arrival)所在的定位機制里，告知了信號所傳的速度，然后用信號所傳的時間長短準確的計算出節點的距離所在，接下來用同樣的方法算出節點的位置所在。由于TOA檢測定位需要能檢測出這種信號的到達準確時間，所以，需要確保與時鐘同步進行。因此在無線網絡傳感器之中，節點與節點間的距離不大，然而這種無線電波基本上與光的速度同步，使得在測量上不是一蹴而就，相對的是：實際上人們用超聲波來測量距離的長短就相對準確容易，但是這種聲波在一定的環境中也受到了很大的影響。

1.2 到達時間差法TDOA

到達時間差法利用信號傳輸時間Time of Arrival進行定位在無線傳感器網絡節點定位中，TDOA是無線電波和超聲波在一定的條件下共同完成的，但是兩者在傳輸的效率上有所不同，在近距離我們可認為無線電波傳輸是沒有消耗時間的，所以，我們很容易能檢測到節點之間的時間間隔。

1.3 波達方向角法AOA

還有一種定位算法是運用信號的角度不同進行節點的判斷的，也叫AOA定位法。由于需要節點裝有天線陣列，這些和無線網絡傳感器的價格和節能的方式是背道而馳的，因此AOA定位法實際應用性不強。

1.4 接收信號強度法RSSI

在運用信號RSSI強度的測量的定位實踐中，我們知道節點發射的信號強弱程度，同時接收節點所監測到的強度大小，判斷出信號的損失與消耗。同時利用大量的經驗方式使得損耗轉化為距離，然后算出節點所在的具體位置。

現實生活中現在主要有3中信號的傳輸方式：自由空間模型、雙路徑反射模型、和遮蔽模型。其中自由模型是理想狀況；雙路徑反射模型加入了兩個不同天線的高度ht,hr，且信號強度與距離的4次方成比例；遮蔽模型由路徑衰減模型和環境中存在的噪聲干擾這兩部分構成。

2 基于距離的RSSI仿真方法和性能

2.1 RSSI測距定位節點仿真原理實現

RSSI即接收信號強度法，在實際仿真中，需要先在固定區域中隨機取若干點作為無線傳感器網絡的節點，在這些節點中取一定比例的點作為已知坐標的錨節點，其他的點為假定不知道位置的節點，對他們進行定位。

在實際中取一個等邊三角形的三個頂點，對三角形內的點進行定位，在接受信號強度中加入噪聲，重新通過加入噪聲的接收信號強度計算出未知節點對已知坐標的錨節點間的距離。用計算出的距離數據和改進的三邊測量法對未知節點進行定位，得到仿真結果，對比真實坐標與定位結果，計算誤差。

2.2 三邊測量法改進

原本的三邊測量法是在理想狀態下，三個已知點與未知點的距離確定，以此三點對應于未知點的距離為半徑畫圓，可以相切與需定位的點；由于實際的仿真中加入了噪聲，導致三個圓不一定會相切，但是會確定一個區域，通過確定這個區域的質心來估算所要定位的點的坐標。

2.3 仿真結果和誤差

(1)仿真定位實現后的結果：

取了一個10*10的正方形區域，取了三個成等邊三角形的信標節點，隨機分布了50個節點作為未知坐標節點，進行定位，結果為藍色的點。可以得到在可以定位的區域（三個信標節點成的等邊三角形內）的點的定位基本準確，藍色的仿真定位的點與實際的紅色點位置基本相同。

(2)如下表是仿真定位出的節點與實際節點的坐標對比

表2.3.1

左邊為實際點的橫縱坐標，右為定位出點的橫縱坐標，可以看出誤差較小，定位結果較好

(3)如圖是仿真定位節點與實際節點坐標的誤差

可以看出節點定位絕對誤差較小，最大也沒有超過0.5，誤差基本在0.2到0.1之間。

2.4 仿真結果分析

上面圖表及圖我們可以清楚的看出來定位算法的效果來，表2.3.1仿真結果可以直觀的看出來未知節點坐標和定位后節點坐標的比較，圖2.3.1我們可以清楚的看出來每個未知節點荊定位后的誤差，誤差是定位出來的點的位置與實際點的位置的距離占節點通信距離的百分比仿真結果從不同的側面反映出本定位算法的精度頗高。

3 結束語

無線網絡傳感器中節點的位置定位在傳感器組織體系中時非常重要的。主要針對路由、跟蹤、傳感的各項功能的實現有著承前啟后的作用。在各種網絡和錯綜復雜的無線網絡中要保持低能耗確實還是有一定難度的，總之隨著對不同傳感器的持續探究，一系列的技術重難點將逐個攻破，所以未來它將有更加廣闊的市場發展空間和需求。

[1] 崔遜學,左從菊,無線傳感器網絡簡明教程[M],清華大學出版社 2009.56-78.

[2] 孫利民,李建中,陳瑜,等.無線傳感網絡[M].清華大學出版社.2005.5.87-104.

[3] 李曉維.無線傳感器網絡技術[M].北京:北京理工大學出版社.2007.8.126-143

袁春艷（1987-），陜西西安人，碩士研究生，西安財經學院行知學院教師，研究方向為信號與信息處理。

Wireless sensor network node localization algorithm based on dis tance

Yuan Chunyan
(Xi'an Institute of Finance and Economics Xingzhi college, 710038)

Due to the existing multipath, interference,keep out,and other factors the RSS ranging accuracy is low.We need Reasonable algorithm to reduce the Location error affect the precision,Through the experimen ts and change parameter can achieve good simulation results.

localization;wireless sensor network;distanceReceived Signal Strength

圖2.3.1