無線傳感器網絡定位算法綜述

王陸敏

摘要：節點定位是無線傳感器網絡的重要技術之一。在定位過程中，錨節點的比例，節點的通信半徑等自然環境因素都會對定位精度造成影響。針對這些問題，對未知節點計算方法以及定位算法進行改進，改進后的算法在定位精度與算法性能上都有了一定的提高。文章詳細介紹了基于測距與非測距改進的多種定位算法，并進行分析。

關鍵詞：無線傳感器網絡;節點定位;定位精度;定位算法

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）07-01-03

0引言

隨著信息技術、智能通信和物聯網的飛速發展，基于位置的服務受到越來越多的關注，由于智能手機的普及以及定位技術在工業生產和人們日常生活中的廣泛應用，也在逐漸改變我們的生活方式。無線傳感器網絡是由一定數量的具有感知能力和無線通信能力、協同操作的傳感器節點組成，這些節點在目標地點進行部署和監測，從而完成對目標的感知、環境的監測等任務。無線傳感器網絡在入侵檢和跟蹤，環境監測，室內監控，流量分析等領域有著廣泛的應用?；趥鞲衅鞴濣c進行自定位是無線傳感器網絡的重要技術，在定位算法中，定位精度是衡量定位算法的一個重要標準，為了更準確的提供位置信息，需對現有定位算法采取合適的策略，減小錨節點與未知節點之間的距離誤差，從而提高定位算法的精度。

1無線傳感器網絡

1.1無線傳感器網絡架構

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks）簡稱WSN作為一種通過無線通信方式形成的多跳自組織網絡系統，主要包括傳感器、感知對象和觀察者三個要素，綜合各種技術來實現對網絡覆蓋區域內感知目標對象信息的監測、感知、采集以及傳播處理。節點之間相互協調與通信以實現目標任務，在入侵檢測和跟蹤、環境監測、室內監控、流量分析等方面有廣泛的應用場景，為了支撐這些應用，需要對傳感器節點的位置進行精確定位。

1.2無線傳感器網絡特點

傳感器節點通過人工隨機部署的方式分布在監測區域，由于成本等因素，監測區域內的錨節點數量是有限的，節點通過自組織的方式形成網絡。傳感器節點由電池提供電量，節點的處理能力、通信能力、存儲能力比較弱，因此對無線傳感器網絡的特點總結如下嘲。

（1）網絡節點數目多，分布密度大，范圍廣

無線傳感器網絡通常由成千上萬個節點組成，傳感器節點通過隨機部署在監測區域內，節點之間的進行通信并傳輸數據到用戶端從而實現對區域的監測工作。在環境監測中傳感器節點往往部署在人類無法到達的區域，隨著節點能量的耗盡以及動物破壞等自然因素導致節點能量耗盡或死亡，在這種情況下很難對網絡進行有效維護。

（2）網絡節點計算資源有限

由于傳感器節點通常被大規模密集部署在檢測區域內，節點自身的體積很小，節點的數量也很大，其自身的成本造價也很低，因為體積微小與成本造價等因素，傳感器節點在節點之間計算的能力上有限，在存儲空間以及單元能力計算上比一般的處理器弱。

（3）網絡節點能量有限

傳感器節點的能量來源主要依靠的是節點本身所攜帶的電池，電池的能量是有限的，這也就決定了傳感器節點自身能量受到很大的限制，由于傳感器節點體積微小，我們在實現無線傳感器網絡應用的時候必須要考慮到這個問題。

（4）通信能力有限

由于傳感器節點本身的能量有限，在節點之間進行通信的時候節點本身考慮到能耗這一因素，它們之間的通信速率也是很低的，由于節點之間的通信半徑有限，信道不穩定等因素的影響，節點之間進行通信時信號強度也會受到一定的影響。

（5）網絡動態性強，拓撲結構容易變化

隨著傳感器節點自身能量的耗盡，以及一些自然因素的影響，傳感器節點會出現故障或者進入死亡狀態，節點死亡之后就會退出其形成的傳感器網絡，在無線傳感器網絡中，網絡拓撲結構會隨著節點的死亡和節點的加入而隨之變化，因此節點自組織所形成的無線傳感器網絡也具有動態性。

1.3無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡作為一個新的研究領域，其應用將非常廣泛，其應用將涉及很多關鍵技術，具體內容總結如下。

（1）硬件設計和嵌入式操作系統

如何利用現有的微電子、微機械和微通信等技術設計出體積小壽命長的節點成為傳感器網絡的關鍵技術之一。傳感器節點是一個微型的嵌入式系統，攜帶的硬件資源非常有限，需要操作系統能夠離效地使用其有限的存儲和處理能力。

（2）網絡協議

節點的計算能力、存儲能力、通信能力和攜帶的能量非常有限，傳感器網絡的拓撲結構經常動態變化，而且還要保證通信的安全、網絡的文件以及數據的可靠，這些問題都對網絡協議的設計提出了很高的要求。

（3）網絡安全

網絡安全保證傳感器網絡數據傳輸的安全性和任務執行的化密性，由于傳感器節點的存儲和處理能力非常有限，因此軟件加密得到廣泛關注。由于節點通常部署在較大空間內，且節點之間存在安全耦合，所以無線傳感器網絡容易受到各種惡意攻擊，安全算法應盡量能夠檢測攻擊并減少節點間的耦合性。

（4）定位技術

位置信息是傳感器網絡節點采集數據過程中不可缺少的部分，確定事件發生的位置或采集數據的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。根據無線傳感器網絡的自身特點，定位機制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效性和分布式計算等要求。

（5）數據融合

由于傳感器節點的易失效性，傳感器網絡也需要數據融合技術對多份數據進行融合，提高信息的精確度。數據融合技術可以與傳感器網絡的多個協議層進行結合，在傳感器網絡的設計中，必須面向應用需求，設計針對性強的數據融合方法，才能最大限度地獲益。但是數據融合技術也有一定的缺點，在節省能量、提高信息準確度的同時，需要以犧牲延遲性和魯棒性的性能為代價。

2定位算法分析

定位技術是無線傳感器網絡中的關鍵技術之一。節點的自定位是實現目標定位的基礎。目前的定位算法主要分為基于測距和基于非測距的定位算法，這兩種定位方法都是通過定位算法計算采集到的錨節點信息，從而達到定位目的。針對定位算法中存在的定位誤差問題，國內、外學者做了大量分析研究，在原有定位算法的基礎上提出了很多創新算法思想，并進行了改進，這對我們的研究有著很大的參考價值。

（1）基于測距定位算法的改進

核心思想是針對信號傳播過程中出現的誤差進行修正補償。程龍提出了基于TDOA的室內NLOS定位方法，首先通過聯合信號接收信號強度模型和到達時間差模型，利用序貫概率比檢驗法確定當前信號是否收到非視距污染，在確定信號傳播環境的基礎上采用基于粒子群優化的定位算法實現對NLOS誤差的削弱。魏連鎖，蔡紹斌等提出了一種基于改機虛擬力模型的無線傳感器網絡錨節點移動策略，將未知節點的鄰居節點數量及其到鄰居節點的距離作為自身的密集權重屬性，利用未知節點的密集度作為權值來改進傳統的虛擬力模型，從而降低誤差。周艷，李海成通過對定位過程中產生的距離誤差區域進行分析，提出了基于RSSI新的空間定位算法ERSS，在定位精度和響應時間上有明顯的改進。Go，Seungryeol等提出了一種基于TOA改進的無線傳感器網絡基站選擇定位算法，采用BS選擇方案，該方案選擇三個測量距離，其中包含相對較少的NLOS誤差，并進行性能評估。

（2）基于非測距定位算法的改進

核心思想是針對錨節點與未知節點之間的跳距進行修正，錨節點與未知節點之間的距離計算方法進行改進，從而降低定位誤差。Cheng w等㈣提出了一種基于APIT的改進算法，首先將定位的未知節點轉換成新的錨節點，參與下次定位，同時提出了兩個錨節點的定位方法和區域估計方法。韓彪等針對APIT定位算法中錨節點稀疏導致定位精度低的問題，提出了一種基于錨節點和未知節點的影響因子和質心算法。Shen s等在信標節點距未知節點的距離要小于預設的跳數計數閾值，采用二維雙曲線函數代替最小二乘法確定未知節點的位置，在節點分布均勻和不均勻情況下定位精度都得到了提高。Wen-Yuan L等在DV-Hop定位算法的基礎上，通過加權處理對平均跳距進行細化，有選擇的將信標節點參與三角剖分，克服了信標節點與未知節點之間平均跳距的估計等缺點造成的定位誤差。

3結束語

本文對無線傳感器網絡的架構、特點及技術作了詳細介紹，結合國內外參考文獻中針對兩類定位算法存在的定位誤差及改進算法進行了分析與總結。本文所提算法在仿真實驗中大部分是基于matlab進行，改進后的算法在定位精度與算法性能方面都得到了提高。但是文獻中大部分算法都是基于二維空間環境進行，在三維空間中當節點移動或網絡拓撲結構發生變化時如何提高算法定位精度是我們未來研究的重點。