第8章 无线传感器网络节点定位技术
无线传感器网络中的节点定位技术分析与优化
无线传感器网络中的节点定位技术分析与优化无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布于特定区域的无线传感器节点组成的网络。
在WSN中，节点定位是一个重要的任务。
准确的节点定位可以帮助监测和收集环境信息，为环境监测、灾害预警、物体追踪等应用提供支持。
本文将对WSN中常用的节点定位技术进行分析，并提出优化方法以提高节点定位的准确性和鲁棒性。
一、节点定位技术分析1. GPS定位技术全球定位系统（GPS）是一种基于卫星的定位技术，可以提供准确的三维位置信息。
传统的GPS定位技术依赖于卫星信号的接收，但在室内或者复杂的环境中，卫星信号的可见性有限，导致节点定位的不准确。
因此，在WSN中，GPS技术用于提供参考位置，但通常需要与其他定位技术结合使用。
2. 基于信号强度的定位技术基于信号强度的定位技术是一种基于节点接收到的信号强度进行定位的方法。
常见的技术包括接收信号强度指示（RSSI）和功率衰减模型（Path Loss Model）。
这种定位技术适用于WSN中节点数量较多和通信范围相对较小的场景，但存在信号衰减不均匀和多径效应等问题，影响了定位的准确性。
3. 基于距离的定位技术基于距离的定位技术利用节点之间的距离信息进行定位。
常用的技术包括多点测距（Multilateration）和最小二乘法（Least Squares）等。
多点测距通过节点之间的相对距离来计算节点的准确位置，而最小二乘法通过优化问题来估计节点的位置。
这种方法定位准确性较高，但通常需要一些额外的参考节点以测量节点之间的距离。
二、节点定位技术的优化方法1. 组合定位组合定位是指将多个定位技术进行结合以提高定位准确性的方法。
例如，将GPS定位技术与基于距离的定位技术相结合，可以利用GPS提供的参考位置来校正基于距离的定位结果。
另外，融合多个基于信号强度的定位技术，如RSSI和Path Loss Model，可以提高定位的鲁棒性和准确性。
无线传感器网络中的节点定位与跟踪技术
无线传感器网络中的节点定位与跟踪技术随着物联网的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）得到了广泛的应用和研究。
节点定位与跟踪是无线传感器网络中的关键问题，对于实现对环境的全面感知和多种应用的实现至关重要。
本文将介绍无线传感器网络中的节点定位与跟踪技术，并探讨其在实际应用中的挑战和前景。
一、节点定位技术在无线传感器网络中，节点定位是指确定节点在所监测区域的位置。
准确的节点定位可以提供精确的环境感知和定位服务。
目前常用的节点定位技术包括多基站定位、距离测量定位和推测定位等。
1. 多基站定位：多基站定位是一种基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication, RSSI）的定位方法。
根据节点与多个基站之间的信号衰减模型，通过测量信号强度来计算节点的位置。
然而，该方法需要多个基站的参与，且受到信号干扰和非视距等因素的影响。
2. 距离测量定位：距离测量定位是通过节点之间的距离测量来确定节点位置的方法。
常见的距离测量技术包括全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和无线信号传播时间测量等。
然而，GPS在室内或有阻挡物的环境下工作效果不佳，而无线信号传播时间测量受到信号传播速度不均匀和多径效应的影响。
3. 推测定位：推测定位是一种基于邻居节点之间的拓扑关系和信号传播模型来估计节点位置的方法。
通过建立无线传感器网络的拓扑结构和分析节点之间的信号传播特性，可以推测节点位置。
推测定位方法相对于其他定位技术而言，成本低、能耗低，但精度相对较低。
二、节点跟踪技术节点跟踪是指在无线传感器网络中追踪移动节点的位置和状态。
节点跟踪技术可以应用于物品追踪、人员定位和动态环境监测等领域。
目前常用的节点跟踪技术包括基于时间差测量的三角定位算法、卡尔曼滤波算法和粒子滤波算法等。
1. 基于时间差测量的三角定位算法：基于时间差测量的三角定位算法是通过测量节点到多个基站的信号传播时间差来确定节点位置。
无线传感器网络中的节点定位技术
无线传感器网络中的节点定位技术随着无线传感器网络技术的快速发展，节点定位技术成为该领域的重要研究方向之一。
节点定位技术可以为无线传感器网络中的节点提供准确的位置信息，从而实现更高效的数据传输和管理。
本文将介绍无线传感器网络中的节点定位技术，包括其背景、目标、研究方法以及应用场景。
一、背景介绍无线传感器网络是一种由大量分布式无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点能够收集、处理和传输环境信息，被广泛应用于环境监测、军事侦察、智能交通等领域。
然而，这些节点的准确位置信息对于无线传感器网络的高效运行和数据管理非常关键。
二、目标和挑战节点定位技术的目标是为无线传感器网络中的节点提供准确的位置信息。
然而，由于传感器节点通常具有小尺寸、低功耗等特点，节点定位技术面临以下挑战：1. 精度：传感器节点需要有较高的定位精度，尤其是用于精细测量和目标追踪等应用场景。
2. 能耗：传感器节点的能耗限制要求节点定位技术在降低功耗的同时保持较高的精度。
3. 部署和管理：无线传感器网络通常由大量的节点组成，节点定位技术需要考虑节点的部署和管理问题，以保证整个网络的定位效果。
三、研究方法在无线传感器网络中，常见的节点定位技术包括以下几种主要方法：1. 基于距离测量的方法：利用节点之间的距离信息进行定位，包括时间差法、信号强度法等。
2. 基于角度测量的方法：利用节点之间的角度信息进行定位，包括方向测量法、波束成形法等。
3. 基于重定位的方法：利用已知位置的节点对其他节点进行定位，包括基站定位法、虚拟坐标法等。
4. 集群定位方法：将节点分为不同的簇，并利用簇头节点进行定位，可以提高系统的能耗和定位精度。
四、应用场景无线传感器网络中的节点定位技术在许多领域都得到了广泛的应用，包括：1. 环境监测：通过定位技术可以实现对环境的精细监测和分析，例如气象预报、土壤湿度监测等。
2. 目标追踪：通过对节点定位可以实现对目标的实时追踪和定位，例如智能交通系统中的车辆跟踪。
无线传感器网络节点定位技术
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无线传感器网络节点定位技术
无线传感器网络节点定位技术定位即确定方位、确定某一事物在一定环境中的位置。
在无线传感器网络中的定位具有两层意义：其一是确定自己在系统中的位置；其二是系统确定其目标在系统中的位置。
在传感器网络的实际应用中，传感器节点的位置信息已经成为整个网络中必不可少的信息之一，很多应用场合一旦失去了节点的位置信息，整个网络就会变得毫无用处，因此传感器网络节点定位技术已经成了众多科学家研究的重要课题。
2.1基本概念描述在传感器网络中，为了实现定位的需要，随机播撒的节点主要有两种：信标节点（Beacon Node）和未知节点（Unknown Node）。
通常将已知自身位置的节点称为信标节点，信标节点可以通过携带GPS定位设备（或北斗卫星导航系统�zBeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System�{、或预置其位置）等手段获得自身的精确位置，而其它节点称之为未知节点，在无线传感器网络中信标节点只占很少的比例。
未知节点以信标节点作为参考点，通过信标节点的位置信息来确定自身位置。
传感器网路的节点构成如图2-1所示。
UBUUUUUBUUUBUUUUUUBUUUUUU图2-1 无线传感器网络中信标节点和未知节点Figure 2-1Beaconnodes and unknown nodes of wireless sensor network在图2-1中，整个传感器网络由4个信标节点和数量众多的未知节点组成。
信标节点用B来表示，它在整个网络中占较少的比例。
未知节点用U来表示，未知节点通过周围的信标节点或已实现自身定位的未知节点通过一定的算法来实现自身定位。
下面是无线传感器网络中一些常用术语：(1) 邻居节点（Neighbor Nodes）：无需经过其它节点能够直接与之进行通信的节点；(2) 跳数（Hop Count）：两个要实现通信的节点之间信息转发所需要的最小跳段总数；(3) 连通度（Connectivity）：一个节点拥有的邻居节点数目； (4) 跳段距离（Hop Distance）：两个节点间隔之间最小跳段距离的总和；(5) 接收信号传播时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)：信号传输过程中，同时发出的两种不同频率的信号到达同一目的地时由于不同的传输速度所造成的时间差；(6) 接收信号传播时间（Time of Arrival，TOA）：信号在两个不同节点之间传播所需要的时间；(7) 信号返回时间（Round-trip Time of Flight，RTOF）：信号从一个节点传到另一个节点后又返回来的时间；(8) 到达角度(Angle of Arrival，AOA)：节点自身轴线相对于其接收到的信号之间的角度；(9) 接收信号强度指示(Received Signa1 Strength Indicator，RSSI)：无线信号到达传感器节点后的强弱值。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
当代的军事侦察卫星,是一双真正的千里眼,其主要优势 包括以下几个方面。
(1)运行速度快。 (2)辐射范围广。 (3)限制条件少。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
2.军事通信卫星 军事通信卫星是配置在空间无线电通信站、担负各种通 信任务的人造地球卫星,具有通信距离远、容量大、质量好、 可靠性高、保密性强、生存能力强、灵活机动等特点。战术 卫星是军事通信卫星的典型代表,是指在战场或作战区域中, 直接用于军事行动指挥控制的卫星通信装备、服务和程序。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
(7)武器发射控制。 武器发射控制的目的是控制武器到达正确的射击位置, 并按照预定的方式进行射击。通常会采用液压式或机电式随 动系统控制武器的射角、方位角与引信分划等射击诸元,使 之与火控计算机的输出值一致。当武器与运载体完全或部分 固连时,某些大口径自行火炮的方位角则同车体保持一致,此 时火控计算机的输出信息应传送给自动控制机构,驱动运载 体按照能够使弹头命中目标的方向运动。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
全球定位系统(GPS)技术的成熟和广泛应用使得对网络 节点位置信息的感知成为可能。通常会设定一些条件和前提 来降低节点定位技术的研究难度,比如节点具有测量与相邻 节点间距离的能力,节点不具有自主移动能力;或者如果有一 定比例的节点,其位置已知或者具有 GPS定位功能,那么这些 节点就可以作为定位的参考点;等等。但需要说明的是,在无 线传感器网络中,并不需要为所有节点配备 GPS接收装置,这 是因为一方面节点一般是廉价的,而 GPS接收装置的成本较 高;另一方面 GPS对使用环境有一定的限制,在水下、建筑物 等环境中不能直接使用。
(1)直升机障碍物规避激光雷达。 (2)化学战剂探测激光雷达。 (3)机载海洋激光雷达。 (4)成像激光雷达。
无线传感器网络中的移动节点定位技术
无线传感器网络中的移动节点定位技术在无线传感器网络的应用中，会存在着移动节点。
因为传感器节点并非固定不动的，而是会随着应用场景的变化而移动。
因此，移动节点的定位就显得尤为重要。
无线传感器网络中的移动节点定位技术，就是为了解决这个问题而出现的。
一、传统定位技术在无线传感器网络中的不适用性在传统的定位技术中，往往需要使用基站或是卫星等设备作为参考点。
但是，在无线传感器网络中，这种方法并不适用。
因为传感器节点的数量通常会很大，而且这些节点的位置也是分散的。
因此，要想将所有节点的位置都标记出来，就需要大量的基站或卫星。
这样就会导致无法快速、准确地标记出移动节点的位置。
二、无线传感器网络中的基本定位方法在无线传感器网络中，移动节点定位技术主要分为基于信号强度的定位方法和基于距离测量的定位方法两种。
1. 基于信号强度的定位方法基于信号强度的定位方法是一种利用信号的衰减关系计算出位置的方法。
这种方法的核心思想是，节点之间的信号强度与它们之间的距离成反比例关系。
因此，只需在不同位置分别测量信号的强度，就可以利用这种关系计算出节点的位置。
但是，这种方法需要在节点之间建立相应的信号模型，模型的精度直接影响到定位的精度。
因此，这种方法在实际应用中并不十分可靠。
2. 基于距离测量的定位方法基于距离测量的定位方法，则是一种在无线传感器网络中比较常用的定位方法。
这种方法可以通过三种基本技术来实现：（1）全球定位系统（GPS）测量：通过GPS卫星和地面接收器之间的距离测量节点的位置。
（2）声波信号测量：通过发送声波信号来测量距离。
（3）光纤传感器：通过方法中使用光纤传感器，利用传输信号的时间差计算出节点的位置。
三、移动节点定位技术的现状目前，移动节点定位技术已经得到了广泛应用。
无线传感器网络的定位技术不断发展，新的算法和方法不断被提出。
例如，滤波和模型拟合、解决多径效应、混沌映射等方法都有在进行尝试。
同时，这些新技术都具有自己的优缺点。
无线传感器网络中的节点定位技巧
无线传感器网络中的节点定位技巧无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSNs）是由大量的无线传感器节点组成的自组织网络。
节点定位是WSNs中的重要问题之一，它是指确定节点在某个特定区域的准确位置。
节点定位技巧是实现无线传感器网络中节点定位的关键方法和手段。
本文将介绍常用的节点定位技巧和其相关应用。
一、信号强度定位技巧信号强度定位技巧是通过测量节点之间的信号强度来推断节点的位置。
这种方法利用节点之间的信号强度与距离之间的关系建立模型，然后通过测量实际的信号强度来推算节点的位置。
信号强度定位技巧相对简单且成本低廉，适用于一些低精度要求的场景。
二、时间差到达（Time of Arrival，简称TOA）定位技巧时间差到达定位技巧是通过测量信号从源节点发出到达不同接收节点的时间差来推算节点的位置。
该技巧利用无线信号在空气中传播速度相对固定的特性，通过计算时间差来确定节点与不同基准节点之间的距离差，从而达到节点定位的目的。
TOA定位技巧具有较高的精度，适用于一些对定位精度要求较高的场景。
三、测向定位技巧测向定位技巧是通过测量节点接收到的信号的方向来确定节点的位置。
该技巧利用节点接收到信号的方向性特点，通过计算节点与不同基准节点之间的方向差来推算节点的位置。
测向定位技巧适用于一些对节点位置的朝向具有重要意义的场景，如安防监控等。
四、距离测量定位技巧距离测量定位技巧是通过测量节点之间的距离来推算节点的位置。
这种技巧利用无线信号在传播过程中会发生衰减的特性，通过测量信号在传播过程中的衰减程度来推算节点之间的距离差，从而确定节点的位置。
距离测量定位技巧适用于一些对定位精度要求较高的场景。
五、协作定位技巧协作定位技巧是利用节点之间的相互协作来实现节点的定位。
该技巧要求节点之间具有一定的通信能力和信息交换能力，节点通过相互之间的信息交换和协作计算来推算节点的位置。
协作定位技巧适用于一些复杂的环境或者对定位精度要求较高的场景。
无线传感网络中的节点定位技术
无线传感网络中的节点定位技术一、概述在无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）中，节点定位技术是一个重要的问题。
很多应用场景，比如环境监测、智能家居、消防救援等都需要知道节点的位置信息。
因此，对于WSN中节点定位技术的研究，具有重要意义。
二、节点定位技术分类节点定位技术可以分为绝对定位和相对定位两种类型。
1. 绝对定位绝对定位是通过某些手段确定节点的精确位置，其主要有以下两种方法：（1）全局定位：全局定位是指利用卫星、地面测量、激光雷达、光学测绘等技术手段，获取节点的位置信息。
这种方法定位精度高，但成本也非常高昂，因此适用范围相对较小。
（2）局部定位：局部定位是指利用无线信号、超声波、红外线等技术手段，获取节点与周围节点或地标之间的相对距离，进而实现节点位置的估计。
这种方法的定位精度相对较低，但成本较低，适用范围较广。
2. 相对定位相对定位是指通过测量节点之间的距离、方向、角度等信息，进而推算节点之间的位置关系。
相对定位方法的实现主要依靠信号传播模型。
三、节点定位技术研究现状目前，节点定位技术的研究比较成熟，主要有以下几个方向：1. 基于距离测量的节点定位技术基于距离测量的节点定位技术是应用比较广泛的方法之一，其实现方式有多种，主要包括：（1）静态定位：当节点的位置不改变时，可以考虑使用静态定位方法，如GPS、光学测距、激光测距等。
静态定位通常能够提供较高的定位精度和可靠性，但同时是成本较高的方法之一。
（2）动态定位：当节点位置会变化时，动态定位是个更合理的选择。
可以采用无线信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）测量、超声波测距、红外测距等技术实现动态定位。
2. 基于指纹识别的节点定位技术基于指纹识别的节点定位技术是一种基于相对定位的方法。
其主要思路是利用某个特征，如无线信号强度、接收速率、冲突率等来实现定位。
第8章 无线传感器网络节点定位技术
第八章 无线传感器网络节点定位技术
节点定位技术概述——要求
传感器网络的定位算法通常需要具备以下特点： 自组织性：传感器网络的节点随机部署，不依赖于全局基础设施协助定 位； 健壮性：传感器节点的硬件配置低，能量有限，可靠性较差，定位算法 必须能够容忍节点失效和测距误差； 节能性：尽可能地减少算法中计算的算法复杂度，减少节点间的通信开 销，以尽量延长网络的生存周期；
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三角定位法
常用的角度定位方法有：已知两个顶点和夹角的射线确定一点，以及已
知三点和三个夹角确定一点。
1．已知两个顶点和夹角的射线确定一点 如图所示，测得参考点A(x1,y2)和B(x2,y2)收到的信号夹角分别是α和β，根 据
( y x tan ) ( y1 x1 tan ) x 2 2 tan tan y ( x2 y2 cot ) ( x1 y1 cot ) cot c t1 (T2 T0 ) (T1 T0 ) T2 T1 即： c2 c1
TDOA有一些固有的缺陷需要考虑。首先利用TDOA进行定位要求传感节点上必 须附加特殊的硬件（声波或者超声波的收发器等），这会增加传感节点的成本； 其次，声波或者超声波在空气中的传输特性和一般的无线电波并不一样，空气 的温度、湿度或者风速都会对声波的传输速度产生很大的影响，这就使得距离 的估计可能出现较大偏差；最后，TDOA测速的一个很大的假设是发送节点和 接收节点之间是没有障碍物阻隔的，在有障碍物的情况下会出现声波的反射、 折射和衍射，此时得到的实际传输时间将变大，在这种传输时间下估算出来的 距离也将出现较大的误差。
种信号的传播速度，计算两个节点之闻的距离，再通过已有基本的定位
无线传感器网络节点定位技术综述
无线传感器网络节点定位技术综述无线传感器网络是由一组分布在不同位置的小型传感器节点组成的自组织网络。
这些节点可以感知和采集环境信息，并将这些信息发送到中心控制节点或其他通信节点。
无线传感器网络具有广泛的应用，例如环境监测、军事侦察、智能交通等领域。
然而，节点的位置信息对于许多应用来说是至关重要的。
因此，在无线传感器网络中节点定位技术是一项重要的研究方向。
本文将综述节点定位技术的研究现状和发展趋势。
一、节点定位技术的分类节点定位技术可以分为基于距离测量的位置估计和基于角度测量的位置估计两种。
基于距离测量的定位技术是通过测量节点之间的距离来确定节点的位置，其中包括基于信号强度测量残余能量、到达时间或方位角度以及基于时间差测量等技术。
基于角度测量的定位技术是通过测量节点之间的相对角度来确定节点的位置，其中包括时序优先搜索和方向确定等技术。
1. 环境监测在环境监测中，节点位置信息对于实时监测和预测自然灾害，如洪水、地震、火灾等具有重要意义。
基于高精度的节点定位技术，可以提高环境监测系统的数据传输和分析能力。
2. 军事侦察在军事应用中，节点定位技术可以提供战场敌方和基地内部的位置信息。
从而改善军事情报信息的获取和处理。
同时，它也可以为部队的导航和作战提供基础定位支持。
3. 智能交通在智能交通领域中，节点定位技术可以用于车辆和行人定位，从而提高交通系统的效率和安全性。
例如，为自动驾驶车辆提供信息，定位交通拥堵的区域，优化路线等。
目前，节点定位技术面临着很多的挑战和难点，如基站位置不确定性、节点间的建模和配准、时延和多路径效应等。
为了解决这些问题，研究人员正在开展许多的实验研究，提出新的节点定位算法和优化方案。
1. 基于信号可靠性的节点定位技术在无线传感器网络中，信号强度和路径损耗表明了节点之间的距离或位置关系。
以此为基础，研究人员提出了一种基于信号可靠性的节点定位技术，该技术能够减小信号的变异性，并提高定位的准确度。
无线网络技术_第8章 无线传感器网络
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。
无线传感器网络节点定位技术
无线传感器网络节点定位技术【摘要】本文从算法性能、已有的定位算法、定位算法的分类和WSN节点定位机制的评价标准等方面，针对无线传感器的网络定位技术进行详细的分析和探讨。
并与经典的APIT算法、凸规划定位算法进行了比较。
结论显示出在不同的环境之下不同的算法各有优劣，并不能指出最好的算法。
实际操作中应该根据实际的需求来选择算法，并对未来无限传感器网络节点定位技术的发展方向做出了预测。
【关键词】无线传感器;网络节点：定位技术前言无线传感器网络（WSN）是基于微机电系统、数字电子技术和无线通信的发展上所形成的厄一种新型技术，其主要的核心内容包括有网络通信协议、节点定位、时钟同步覆盖和布局等等[1]。
其中，对于无线传感器网络空间探测、目标追踪和环境监测等功能而言，节点定位是必不可少的技术内容，同时也是无线传感器网络的基础功能之一。
当前，无线传感器网络节点定位技术的最新研究方向主要集中在能耗、覆盖率、节点密度、定位精度和定位系统的算法优势上，以下将对其进行详细的描述。
1.定位机制无线传感器网络节点的分布是随机性的，相对能量受到限制且可靠性不足，在有限的距离限制下，这就对于算法的技术提出了较高的要求。
一般而言定位的机制可以分为以下几个程序：首先是采取AOA、TDOA、TOA和RSSI等测量技术来获取邻居锚节点的角度和距离，并通过信息的联通的估算节点间的实际距离[2]。
然后，通过算法的运算来得出实际的距离值。
一般可以采取的计算方式有极大似然估计法、三角测量法和三边测量法等等。
最后，对所得的数据进行处理和优化。
2.性能指标的评价无线传感器网络节点的定位技术的性能，对其他功能都有着直接性的影响。
因此在对其进行评价的方面，我们一般选取以下指标来作为对象和标准。
例如，代价、功耗、自适应性和容错性、覆盖率、锚节点密度和定位精度等[3]。
都是常用来衡量和评价无线传感器网络节点定位技术性能的指标。
3.无线传感器网络定位算法的种类无线传感器网络定位算法的种类多种多样，一般都没有固定的标准，往往根据实际的情况来进行分类和区分。
无线传感器网络第8讲-定位技术
2.定位算法的几种分类（1）
根据定位过程中是否测量实际节点间的距离，把定位 算法分为：
基于距离的（range-based）定位
利用测量节点间实际距离或方位计算未知节点 位置；
距离无关的（range-free）定位
5.一篇文献
标题：简明扼要
编辑：审稿周期
5.一篇文献
研究什么问题 Consider
使用什么方法、得到什么结果 First, Then, By applying
仿真验证理论 Simulations
关键词：研究对象、研究方法
5.一篇文献
研究对象、背景、应用
对已有结果进行综述
5.一篇文献
对已有结果 进行综述
基本思想：
通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离； 根据信道模型求解距离：
d Pr ,dB (d ) Pr ,dB (d0 ) 10 log X ,dB d0
3. 基于测距的定位技术-AOA
基本思想：
接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信 号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或 角度，再通过三角测量法计算出节点的位置 。
利用节点间的估计距离计算未知节点位置 。
2.定位算法的几种分类（2）
根据定位过程中节点定位先后次序的不同，把定位算法 分为：
递增式的（Incremental）定位
信标节点附近的节点首先开始定位，依次向外延 伸，各节点逐次进行定位 ；
并发式的（Concurrent）定位
所有的节点同时进行位置计算 。
本节课主要内容提纲
无线传感器网络节点定位技术
无线传感器网络节点定位技术一、无线传感器网络发展及研究现状1.1 无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织网络系统，它是当前在国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿研究领域，综合传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息(如光强、温度、湿度、噪音、震动和有害气体浓度等物理现象)，并以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的3个要素。
如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。
人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。
无线传感器网络作为一项新兴的技术，越来越受到国内外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理、空间探索、智能家居、工业控制和其他商业应用领域展现出了广阔的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。
WSN的基木思想起源于20世纪70年代。
1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组;1980年，DARPA的分布式传感器网络项目(DSN)开启了传感器网络研究的先河;20世纪80- 90年代，研究主要在军事领域，成为网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研究的序幕;20世纪90年代中后期，WSN引起了学术界、军界和工业界的广泛关注，发展了现代意义的无线传感器网络技术。
无线传感器网络产业的萌芽，最早可以追溯到20世纪60年代的战争中。
在20世纪80年代至90年代之问，无线传感器网络产业在欧美得到发展，美国更多地将其用于军事方面。
无线传感器网络的节点定位技术
无线传感器网络的节点定位技术无线传感器网络是一种通过分布在自然环境、工厂甚至是人体内部等多个地方的传感器节点进行数据采集的技术。
它可以帮助我们了解水质、空气质量、温度等环境问题，还可以用于安防、物流等领域。
在这个网络中，每个节点都需要进行位置信息的记录和传输，因此节点定位技术就成为了无线传感器网络中非常重要的一部分。
目前，传感器节点定位技术主要分为分布式、集中式两种。
分布式方法是通过将各个节点之间的距离和坐标信息进行交换来实现节点的位置的计算，它能够提供高度的效率和可靠性，但是也需要一定的硬件条件和网络资源。
而集中式方法则是通过在网络中设置中央节点来进行数据的交换和计算，可以更好地提供定位精度，并且也易于实现，但是对于维护和储存中央节点的负载会增加。
无线传感器网络中的定位算法涵盖了众多领域的知识，如数学、物理和信号处理等，其中最常用的定位算法有三角定位、两步法和基于贝叶斯定位的方法。
三角定位是最早的一种方法，是利用节点之间的距离进行计算，该方法具备简单易于理解、精度高等优点。
但是，由于距离计算的误差和使用的算法不同，其定位精度会受到一定影响。
而两步法则是通过收集节点之间的距离信息进行计算，利用传统的二次方程求解方法进行节点定位。
两步法所需的节点数量少、算法速度快、精度高等优点，因此受到了广泛的应用。
基于贝叶斯定位的方法则是通过对节点位置进行概率模型建立，结合先验和测量结果，不断地通过更新实现最终节点的定位。
这种方法的特点是对算法的健壮性要求很高，任何与估计误差相关的问题都会影响定位精度。
从实际应用来看，定位算法在进行节点定位时面临的难题较多，如天线功率控制、信号干扰、路线选择等问题。
为了解决这些问题，研究者们提出了很多创新性的方法，如WiFi定位、基于人工智能的算法等，这些新颖的方法在节点定位精度、算法效率和成本控制方面优势明显。
总之，无线传感器网络中节点定位技术是一个十分重要的组成部分。
定位技术的发展和应用既需要在软件算法方面的不断创新，也需要硬件设备的不断升级。
无线传感器网络中节点定位技术及其应用
无线传感器网络中节点定位技术及其应用随着科技的不断发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）成为了当代智能化装备与系统的重要组成部分。
无线传感器实际上是一种具有感知、处理和通讯等功能的微型装置，它通常由传感器、微处理器、射频通讯模块以及电源组成。
作为一种先进的信息技术应用，无线传感器网络在农业、环境监测、安全监控等诸多领域都有广泛的应用。
然而，无线传感器网络中节点的位置信息是非常重要的，对于实现数据采集、监控、控制等任务都具有至关重要的作用。
因此，节点定位技术成为了无线传感器网络中的一个非常重要的研究领域。
一、传统无线节点定位技术的局限在传统的无线节点定位技术中，常见的方法主要包括信标定位、距离定位、角度定位和时间差定位。
这些方法在准确度、复杂度和实际应用中都有其局限性。
信标定位是通过在一些知名位置上放置基站，然后将这些基站与各节点进行通信，根据信号强度、多径效应等等进行节点的位置估计。
信标定位方法的实现比较简单，但由于同一位置上的节点众多，信号之间干扰较大，进而影响定位准确度。
同时，在节点密度较大的情况下，基站数量难以满足要求，这也限制了信标定位的应用场景。
距离定位和角度定位是基于节点与基站之间的距离和角度关系进行定位。
距离定位是通过节点和基站之间的信号传输时间进行计算，从而估计节点位置。
但由于环境折射效应和音频干扰等因素，距离的测量是不准确的。
相较于距离定位，角度定位方法虽然准确度高，但需要采用更加复杂的硬件设备来实现，尤其是在海洋探测等领域中，角度定位的方法需要使用大量的设备或者高精度的设备，成本相对较高。
而时间差定位是对节点之间的时间差进行测量，进而估计节点位置。
但由于时间测量精度的限制，时间差定位不能用于高精度定位任务。
二、基于节点信号和接收参数的节点定位技术为了克服传统节点定位技术的局限性，研究人员开始使用基于节点信号和接收参数的节点定位技术。
无线传感器网络中的节点定位技术
无线传感器网络中的节点定位技术随着IoT技术的快速发展，无线传感器网络已经成为连接物体和数字世界的一种重要方式。
在一个典型的无线传感器网络中，数以百甚至千计的传感器节点分布在一个广泛的区域内，进行数据采集和通信。
其中一个关键的问题是如何准确地知道每个节点的位置。
节点定位技术因此成为无线传感器网络的重要研究方向。
本文将介绍节点定位的基本原理和现有技术。
1. 定位原理节点定位的基本原理是勾股定理，即根据三角形的三边长度来确定其所在的位置。
在无线传感器网络中，这可以通过距离测量来实现。
传感器节点通常会在相互之间进行无线通信，因此可以通过测量信号传输的时间或信号强度来计算节点间的距离。
时间测量方法利用定位节点和目标节点向对方发送时间戳的方法。
接收方计算时间差并将其发送回发送方。
根据时间差和已知的传播速度可以计算出两个点之间的距离。
然而，时间测量方法需要使用精确的时钟，因此不太适用于低成本的无线传感器网络。
信号强度测量方法则是利用了信号在空间中的衰减规律。
由于信号强度随距离的增加而衰减，因此可以通过信号接收强度来计算节点之间的距离。
然而，这种方法受到环境和干扰的影响，其测量结果也不够精确。
2. 基于角度的定位除了距离测量方法，还有一种基于角度的定位方法。
这种方法需要节点能够感知周围环境的角度信息。
一种实现方式是利用于相对定位的视觉传感器或激光传感器。
这些传感器可以检测目标节点相对于自身位置的角度。
另一种方式是使用天线阵列，可以通过解调不同方向的信号来确定接收节点的方位。
不过，这种方法需要较高的成本和复杂性。
3. 节点定位技术在实际应用中，节点定位技术通常需要体现出以下几个关键方面：（1）低功耗和高效性：节点定位技术所消耗的能量和计算资源应该尽量保持低，并且具有高的定位精度。
（2）性能稳定性：节点定位技术对环境和干扰的稳健性是十分重要的，应该具有多种鲁棒性算法来应对多种挑战。
（3）易于部署和维护：需要易于部署，并且可以仅仅使用少量的硬件资源就能够实现准确的节点定位。
无线传感器网络的定位技术
• 它们满足一下关系: • (xo1-xa)2+(yo1-ya)2=r12 • (xo1-xc)2+(yo1-yc)2=r12 • (xa-xc)2+(ya-yc)2=2r12-2r12cos θ • 由上式可以确定圆心O1的坐标和半径r1。同理可以求出O2的
坐标，半径r2， O３的坐标及半径r３。最后再利用上述TOA的 方法，由O1， O２和
超声波定位系统:
• Active Bat是由AT&T实验室开发的超声波定位系统。 该系统主要有4部分:发射器、接收器、控制器和中心 节点。
• Active Bat标签响应查询命令,向接收器阵列发送一个 超声波脉冲,同时控制器向所有的接收器发送一个同步 复位信号。
• 每个接收器测量从复位到接收超声波脉冲的时间间隔, 然后将这些数据交给中心节点进行相关的定位计算。
• 第二是实时阶段(on-time),此阶段采 集3个基站的信号信息,根据信号信息 函数界为求解位置。
Signal propagation model
• 仅仅对空间中的3个点进行测试,其余 则导入模式中的数学函数进行位置的 判定；
• Empirical model得到的位置精确度很 高,但这种方式消耗的时间和人工成本 相当大。
• 而所要求的无负担性, 本质指是设备自身对于用户而言 是不可见的。不可见性要求设备微型化、功能单一化并 嵌入到物理实体中。
定位系统的扩展性和易部署性:
• 可扩展性是指新的节点可以方便地接入现存系统,获取相 关的服务。系统只有在具有良好的扩展性前提下才能够实 现易部署的目标。
• RADAR系统建立Radio Map是整个系统的关键。
• P( d)表示在距离d处的信号强度; np为路径损耗因子; P0是在参考距离d0处的信号强度。
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可以计算出待测节点N的位置坐标(x,y)。这是一种参考节点A和B自身在坐 标系已经矫正的情形，如果参考点A和B方向没有校正，需要在计算时补偿
第八章 无线传感器网络节点定位技术
节点定位技术——基于测距的定位
利用信标节点的位置，通过测量和估计信标节点与目 标节点的距离，我们就能够利用它们之间的关系很容易 地算出目标节点的位置。
基于测距的定位技术涉及几何中的图形问题，已知节
点的位置，求另外几个节点的位置，比较常用的方法有： 三边定位法 角度定位法 角度定位需要另外测量接收信号夹角，测量出夹角后
根据接收信号相位差定位。
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
1）根据接收信号强度定位，信号衰减模型如下式：
式中， P(d) 、 P(d0) 分别表示在距离基站 d 、 d0 处的 信号强度， P(d) 是接收节点实际测得的信号强度 RSSI ， P(d0) 一般可以距天线 d0 米处的路径衰减来 代替。
1
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
2．主要技术 三边定位技术的计算方法比较简单，在已知两点之间距
离的情况下，采用单纯的数学公式就可以计算出来，节
点之间距离的测量才是三边定位技术的最难点，一般来 说，有三种算法可以测量两个节点之间的距离： 根据接收信号的强度来计算距离； 根据信号传播时间或者时间差来计算距离；
t (T 2 T1) (T 4 T 3)
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
在这段时间内，声波传播的距离为2d，我们就可以得到
值得注意的是，这里的T1和T4时刻是由节点A测得的，T2 和T3时刻是由目的节点D测得的，由于时钟漂移、定位误
差等的存在，两者的时间会有一定的时间差，但是由于
节点定位技术的研究现状和发展
作为一种全新的技术，无线传感器网络具有许多挑战性的研究课题，而定 位就是其中之一，定位也是大多数应用的基础和前提 传感器节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到 很大的限制，低功耗是其最主要的设计目标。必须针对密集性，节点的计算、 存储和通信等能力都有限的特定场合设计有效的低功耗定位算法 近十年来，无线传感器网络自身定位问题研究有了许多新颖的解决方案和 思想，但是每种系统和算法都是用来解决不同的问题或支持不同的应用的， 它们用于定位的物理现象、传感器设备的组成、能量需求、基础设施和时空 的复杂性等许多方面有所不同。 对现有的WSN定位研究成果研究比较发现，没有一种定位方案能在有效减 少通信开销、降低功耗、节省网络带宽的同时获得较高的定位精度。而且大 部分停留在仿真和实验阶段。因此，该领域还有待更多的人提出更好的方法， 以求更好地解决定位问题，使得无线传感器网络能够真正在实际生活中得到 广泛的应用。
由此可以得出节点D的坐标为
x 2( x1 x3 ) y 2( x x ) 2 3
2( y1 y3 ) x12 x32 y12 y32 d12 d32 2 2 2 2 2 2 2( y2 y3 ) x2 x3 y2 y3 d2 d3
工配置、确定部署等方式预先获取位置信息，为其他节点提供参 考坐标。 未知节点：信标节点以外的节点统称为未知节点，也有文献称为 盲节点。 邻居节点：一个节点通信距离范围内的所有节点的集合。 跳数：两个节点之间跳段的总数。 跳距：两个节点之间各跳段的距离之和。 节点连接度：节点可以探测发现到的邻居节点个数。 网络连接度：所有节点的邻居个数取平均值，可反映传感器配置 的密集程度
那么，我们可以列出以下公式：
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
将第一个方程和第二个方程同时减去第三个方程，得到结果
2 2 2 2 2 2 2( x1 x3 ) x 2( y1 y3 ) y x1 x3 y1 y3 d1 d3 2 2 2 2 2 2 2( x2 x3 ) x 2( y2 y3 ) y x2 x3 y2 y3 d2 d3
分布式：无线传感器网络通常是大规模部署网络，节点数目多，定位任
务将不会是单个节点所能承担的，这就需要定位算法具有一定的分布式， 把任务分派到各个节点； 可扩展性：无线传感器网络中的节点数目可能是成千上万甚至更多，为 了满足对不同规模的网络的适用性，定位算法必须具有较强的可扩展性。
第八章 无线传感器网络节点定位技术
无线采用双向通信的方式，两者的时间差相互抵消，对 结果没有太大影响
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
3）根据到达时间差测距（Time Difference Of Arrival，TDOA）
在基于到达时间差TDOA的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传 播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两
第八章 无线传感器网络节点定位技术
节点定位技术的研究现状和发展
目前，在节点定位应用中，由于受传感器节点能量有限、可靠性差、网络规模大 且节点随机布放、无线模块的通信距离有限等影响，对定位算法和定位技术提出 了很高的要求。一般来说我们从定位区域与精确度、实时性和能耗三个方面来衡 量节点定位技术的好坏。 1．定位区域与精确度 定位区域与精确度是传统定位方法和无线传感器网络定位都具有的衡量指标，而 且定位区域和精度一般都是互补存在的，定位区域越大，意味着精度越小。 2．实时性 实时性是定位技术的另外一个关键指标，实时性与位置信息的更新频率密切相关， 位置信息更新频率越高，实时性越强 3．能耗 能耗是无线传感器网络独有的一个衡量指标。在无线传感器网络中，节点的电能 靠电池来供应，电池是不可替换的，因此节省能量就成了无线传感器网络中一个 重要的问题。 另外，还有一些小的方面来衡量无线传感器网络定位技术的好坏，如定位技术的 扩展性、鲁棒性和节点带宽的占用等。
该方法要求移动台和基站的时间精确同步
为了测量移动台的发射信号的到达时间，需要在每个基站处设置一个 位置测量单元，为了避免定位点的模糊性，该方法至少需要三个位置测
量单元或基站参与测量
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
如图所示，有A、B、C三个基站，因为节点间的距离测量都是一样的，这里我们就 假定先测量基站 A到目的节点的距离。假设基站 A到目的节点D的距离为d，声波传 播速度为v，在T1时刻基站A发射机发射一个声波信号给目的节点D，D节点在T2时刻 接收到该声波信号，经过短暂的处理之后，在T3时刻目的节点D回送一个声波测距 信号给A节点，在T4时刻A节点接收到该信号。由此可以得出声波信号在介质中传播 的时间为：
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
接收信号相位（PDOA） 通过测相位差，求出信号往返的传播时间，计算出往返距离
c d c 2 f c f c 2 号和反射 信号的相位差。由上式可知d的范围是[0, λ]。不同的距离如 果相差λ倍，则测量获得的相位相同。
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
2）根据信号传播时间测距（TOA）
该技术是采用信号到达时间来测量距离的，是一种基于电波传输时间 的定位技术。己知信号传播速度，通过测量信号从发射机传播到多个接
收机所消耗的传播时间来确定移动用户的位置
TOA测距的基本思想是测量移动台发射信号的到达时间，并且在发射 信号中要包含发射时间标记以便接收基站确定发射信号所传播的距离，
节点，通过邻居节点间有限的通信和某种定位机制确定网 络中所有未知节点的位置。 节点定位在实际应用中包含两种含义： 自定位——确定节点自身在系统中的位置 目标定位——确定目标节点在系统中的位置
第八章 无线传感器网络节点定位技术
节点定位技术概述——一些概念
信标节点：已知自身位置信息的节点，可通过GPS定位设备或手
种信号的传播速度，计算两个节点之闻的距离，再通过已有基本的定位
算法计算出节点的位置。
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
如图所示，发射节点在时刻T0同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节点 记录两种信号到达的时间T1和T2，己知无线射频信号和超声波的传播速度分别 为c1和c2，那么我们可以知道射频信号和超声波信号传播的时间为：
使用数学几何条件，确定节点的位置。因为测量的信号
夹角不可能很精确，所以AOA的精度不理想。
第八章 无线传感器网络节点定位技术
基于测距的定位技术——三边定位法
1．基本思想 三边定位法如图所示，已知 A 、 B 、 C 三个节点的坐标分别为（ x1 ， y1）、（x2，y2）、（x3，y3）。测得它们到未知节点D的距离分别为d1、 d2、d3。假设节点D的坐标为（x，y）。以A、B、C三点为圆心，d1、 d2、d3为半径做圆，三圆的焦点即为节点D的坐标。
第八章 无线传感器网络节点定位技术
节点定位技术概述——要求
传感器网络的定位算法通常需要具备以下特点： 自组织性：传感器网络的节点随机部署，不依赖于全局基础设施协助定 位； 健壮性：传感器节点的硬件配置低，能量有限，可靠性较差，定位算法 必须能够容忍节点失效和测距误差； 节能性：尽可能地减少算法中计算的算法复杂度，减少节点间的通信开 销，以尽量延长网络的生存周期；
将其写成线性方程的形式，AX=B，其中
2( x x ) A 1 3 2( x2 x3 ) 2( y1 y3 ) 2( y2 y3 ) x12 x32 y12 y32 d12 d32 B 2 2 2 2 2 2 x x y y d d 3 2 3 2 3 2 x X y