ch6_定位技术

无线传感器网络
定位技术
本节课主要内容提纲
1.WSN定位技术的概述
2.定位算法的几种分类
3.基于测距的定位技术
4.无需测距的定位技术
WSN定位技术的概述-基本含义
定位就是确定位置。

定位的两种意义：
9一种是确定自己在系统中的位置；
9一种是确定目标在系统中的位置。

位置信息的类型：
9物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相对或者绝对位置；
9符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关
系，提供目标大致的所在范围。

WSN定位技术的概述-基本含义
定位机制是WSN的基本机制
没有位置信息的检测消息是没有意义的；
应用：战场侦查、目标跟踪、入侵检测、灾难预报等。

节点定位是基本的定位机制
随机部署的网络，需要确定节点位置；
只有节点定位以后，才能确定节点检测事件的位置。

WSN定位概述-定位的应用领域
①导航：了解移动物体在坐标系中的位置，
指导移动物体成功到达目的地的工作
②跟踪：系统实时地了解物体所处位置和移
动的轨迹
③虚拟现实：定位物体的位置和方向
④网络路由：优化的路由可以提高系统性能、
安全性，节省宝贵的电能
⑤基于位置的服务(LBS, Location Based
Service)：新的增值服务
WSN定位技术概述-技术指标
最重要的指标，指定位系统提供的位置信息的精确程度。

9绝对精度指以长度为单位度量的精度；
9相对精度，通常以节点之间距离的百分比来定义。

覆盖范围是另一个重要指标，它和精度是一对矛盾。

精度覆盖范围
超声波分米级十多米
Wi-Fi和蓝牙3米100米
GSMC系统100米公里级
1. WSN定位概述-定位的技术指标(2)
①刷新速度是提供位置信息的频率。

比
如GPS每秒钟刷新1次
②WSN相关的指标
9功耗，WSN是功耗受限制的
9带宽，协议栈开销+数据的有效载荷
9节点密度，节点密度要求越高，单次定位的通信开销越大，消耗的电能越多。

WSN定位概述-定位系统的设计要点
①两个主要因素：
①定位机制的物理特性
②相应的算法
②其他设计要求：
①节点密度
②扩展性
③鲁棒性的要求
WSN定位技术的概述-算法特点
自组织性：节点随机分布，不能依靠全
局的基础设施协助定位；
健壮性：节点测量数据时有误差，算法
需具有良好的容错性；
能量高效：算法计算复杂度要小，减少
通信开销，延长网络的生命周期；
分布计算：节点计算自身的位置，不能
将信息集中到某个节点进行计算。

定位中用到的基本术语
①接收新信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)：节点接收到无线信号的强度的大小，称为接收信号的强度指示
②到达角度(Angle of Arrival，AOA)：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度
③视线关系(Line of Sight，LOS)：两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信，称为两个节点间存在视线关系
④非视线关系(NLOS，no LOS)：两个节点之间存在障碍物
定位机制
解析几何中的任何可以确定某一点位置的几何学方法，只要传感器网络能够提供足够的信息，都可以成为定位的方法。

比较常用的是三边定位法、多边极大似然估计法以及角度测量法。

定义：
①信标节点：已知节点坐标或者位置信息的节
点，有的书籍也称为锚节点。

②未知节点：坐标或者位置信息未知的节点。

三边测量算法
已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标。

三边测量算法
设未知节点D 的坐标为(x ，y )，信标节点的A 、B 、C 的坐标分别为(x A ，y A )、(x B ，y B )、(x A ，y C )，未知节点到3个信标节点的距离分别为d A 、d B 、d C ，则
从而可以推出未知节点的坐标为
三角测量算法
已知A 、B 、C 三个
节点的坐标(x A ,y A )、
(x B ,y B )、(x A ,y C )
节点D 相对于节点A 、
B 、
C 的角度∠ADB ,
∠ADC ,∠BDC
确定节点D 的坐标
三角测量算法
设未知节点D 的坐标为(x ，y ) ，则对于节点A 、C 和角∠ADC ，如果弧段AC 在△ABC 中，那么能够唯一确定一个圆，设圆心O(x O1,y O1) ，半径为r 1，
则，并存在下列公式能够确定圆心O 1点的坐标和半径r 1
三角测量算法
同理对A 、B ，∠ADB 和B 、C ，∠BDC ，分别能够确定相应的圆心O(x O2,y O2) 、半径r 2、圆心O(x O3,y O3) 、半径r 3
最后，利用三边测量法可确定节点D 的坐标(x ，y ).
极大似然估计法
极大似然估计法是指已知3个以上的信标节点的坐标和它们到未知节点的距离，求解该未知节点的坐标
极大似然估计法
设节点1，2，3，4，…，n个节点的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2) 、(x3，y3) 、…、(x n，y n) ，它们到节点D的距离分别为d1、d2、d3、…、d n，节点D的坐标为(x，y)，则
极大似然估计法
从第一个方程开始分别减去最后一个方程可得如下线性方程：
极大似然估计法
简化为矩阵相乘的方式：AX=b
使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为：
本节课主要内容提纲
1.WSN定位技术的概述
2.定位算法的几种分类
3.基于测距的定位技术
4.无需测距的定位技术
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
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。

2.定位算法的几种分类(3)
根据定位过程中是否使用信标节点的位置信息，把定位算法分为：
基于信标节点(beacon-based)定位
以信标节点作为定位中的参考点，各节点定位后产生整体
绝对坐标系统；
无信标节点的(beacon-free)定位
各节点先以自身作为参考点，将邻近节点纳入自己定义的
坐标系中，相邻的坐标系统依次转换合并，最后产生整体
相对坐标系统。

本节课主要内容提纲
1.WSN定位技术的概述
2.定位算法的几种分类
3.基于测距的定位技术
4.无需测距的定位技术
基于测距的定位技术
测距即测量两个节点之间的距离
一般常采用物理信号测量方式，如无线电、声波和磁场等
根据各种物理信号的优缺点，常用的方法有 基于信号传播时间的定位(TOA)
基于信号传播时间差定位(TDOA)
基于接收信号强度的定位(RSS)
基于接收信号角度的定位(AOA)
3. 基于测距的定位技术
基本思想：
通过测量相邻节点间的实际距离或方位进行定位。

三个阶段：
测距阶段：未知节点首先测量到邻居节点的距离或角度，然后进一步计算到邻近信标节点的距离或方位；
定位阶段：未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标；
修正阶段：对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精度，减少误差。

3. 基于测距的定位技术
基于信号传播时间的定位（TOA） 基于信号传播时间差定位（TDOA） 基于接收信号强度的定位（RSSI） 基于接收信号角度的定位(AOA)
3.
•基本思想：
3. 基于测距的定位技术-TOA
定位过程：
发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据传播时间和速度计算发送节点和接收节点之间的距离；利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置；
3. 基于测距的定位技术-TDOA
•基本思想：
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种信
号的传播速度，计算两个节点之间的距离，然后利用
三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。

基于测距的定位技术-TDOA
发送端在T0时刻同时发射无线射频信号和超声波信号
接收端分别记录这两种物理信号的到达时间T1和T2
已知无线射频信号和超声波的速率分别为v1，v2，设两节点之间的距离为d，由可得：
基于TDOA测距定位的应用
AHLos（Ad-Hoc Localization System）系统
AHLos系统在初始阶段已经通过人工配置或者使用GPS定位技术使一小部分节点成为信标节点
实现全网未知节点的定位是一个逐步迭代的过程 信标节点向周围邻近节点广播自己的位置信息
未知节点通过TDOA方法测得与周围临近节点的距
离和接收到的位置信息使用相应的定位算法计算自
身的位置，转化成为信标节点
转化信标节点向周围邻近节点广播自己的位置信息 这样依次迭代直到网络中所有未知节点均计算出自
己的位置
在具体迭代过程中，未知节点会根据周围信标节点的不同分布选择相应的多变定位算法计算自身位置。

（1）原子多边算法（Atomic Multilateration ）
（2）迭代多边算法（Iterative Multilateration ）
（3）协作多边算法（Collaborative Multilateration ） 优点:
测距误差小，精度高
缺点: 在迭代过程中存在误差积累问题
对网络节点密度要求高，不适合大规模无线传感器网络
基于TDOA 的测距技术对硬件要求高基于TDOA 测距定位的应用
AHLos （Ad-Hoc Localization System ）系统
到达信号强度测量法（
RADAR
一个基于RSSI测距的室内定位系统，用于确定用户所在楼层的具体位置。

使用信号传播经验模型和理论模型两种方法进行未知节点的定位
在定位过程中，未知节点根据接收到的信号强度值计算信号的传播损耗，按照相应的传播损耗模型将传播损耗转化为距离，然后再根据三边定位法或者多边极大似然估计法计算未知节点的位置。

基于RSSI的定位受到周围环境的影响很大，定位精度不稳定，尤其是在室外，影响因素会更多。

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。

3. 基于测距的定位技术-AOA
第一步：相邻节点之间方位角的测定 节点A的两个接收机R1、R2间距离是L，接
收机连线中点的位置代表节点A位置；将两
个接收机连线的中垂线作为节点A的轴线，
作为确定邻居节点方位角度基准线；
3. 基于测距的定位技术-AOA
第二步：相对信标节点的方位角测量
目标：计算与信标节点不相邻的未知节点与各信标节点之间的方位；
L节点是信标节点，A、B、C节点互为邻居节点；
⊿ABC、⊿LBC的内部角度已经计算，从而能够计算
出四边形ACLB的角度信息，进而计算出信标节点L
相对于节点A的方位；
3. 基于测距的定位技术-AOA
第三步：利用方位信息计算节点的位置
从n个信标节点中任选三个信标节点A、B、C ；
利用三角测量算法或极大似然估计算法计算节
点D坐标。

本节课主要内容提纲
1.WSN定位技术的概述
2.定位算法的几种分类
3.基于测距的定位技术
4.无需测距的定位技术
无需测距的定位技术
特点:
无需测量决定距离或方位
对节点硬件要求低
定位精度低
•两类算法
1.对未知节点和信标节点之间的距离进行估计,然后利用
三边测量法或极大似然估计法进行定位
2.通过邻居节点和信标节点确定包含未知节点的区域,然
后将这个区域的质心作为未知节点的坐标
4. 无需测距的定位技术
质心定位算法
DV-Hop算法
APIT算法
不定形定位算法
无需测距的定位技术-质心定位算法
多边形的几何中心，称为质心，多边形顶点坐
标的平均值就是质心节点的坐标。

质心定位算法首先确定包含未知节点的区域，
计算这个区域的质心，并将其作为未知节点的
位置。

4. 无需测距的定位技术-质心定位算法
基本过程：
信标节点周期性向邻近节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息；
当未知节点接收到来自不同信标节点的信标分组数量超过某一个门限k或接收一定时间后，
就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的质心。

特点:
不需要信标节点和未知节点之间的协调，因此实现起来比较简单，算法复杂度比较低
定位精度与信标节点的密度以及分布有关
Hop算法
类似传统网络中的距离向量路由机制,基本思想：
1.计算未知节点与每个信标节点的最小跳数；
2.估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距
离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离；
3.利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐
标。

Hop算法
计算未知节点与每个信标节点的最小跳数 信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分
组，其中包括跳数字段，初始化为0；
接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳
数，忽略来自同一个信标节点的较大跳数的
分组。

然后将跳数值加1，并转发给邻居节点；
网络中所有节点能够记录下到每个信标节点
最小跳数
Hop算法
Hop算法
计算未知节点与信标节点的实际跳段距离 每个信标节点根据记录的其它信标节点的位置信息
和相距跳数，估算平均每跳的实际距离；
然后，信标节点将计算的每跳平均距离采用可控洪
泛的方式，将带有生存期字段的分组广播至网络中，未知节点仅记录接收到的第一个每跳平均距离，并
转发给邻居节点；
未知节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点的跳段距离；。