WSN基于测距的定位方法解析
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优点: 测量方法简单且能取得较高的定位精度。 缺点: 1.精确计时难 2.高精度同步难 3.易受噪声影响
实例
3.1.2基于信号传输时间差的方法
TDOA测距技术广泛应用于无线传感器网络的定位方案中。通常在节点上安装超声波收发器
和射由频M收IT发开器发, 出测距的时Cr锚ic节ke点t室同内时发定送位超系声统波最和电早磁采波用, 接了收R节F信点号通与过两超种声信波号信到号达时组间合差的来计 TD算O两A点测之距间技距术离,。在2 m×2 m×2.5 m的范围内, 该系统定位精度在10 cm以下, 现已 成为Crossbow的商业化产品。
3.2 节点坐标计算方法
三边测量法
三角测量法
极大似然估计法
三边测量法原理示意图 极大似三然角估测计量法法原原理理示示意意图图
已已知知3个n个节点点的A坐, B标, C和的它坐们标到和未未知知节节点点的D与距已离知, 节列点出A坐,
标B已,与C的距知角离3个度的,n节个每点方次A程计, 式算B,,2C个从的锚第坐节1标个点方以和程及未开知3始点节, 到点每组未个成方知的程圆均减 节去的最点圆后的心一位距个置离方，就程如可,已得以知到点估n−A算1,个C出与方该D程的未组圆成知心的点位线置D性的O方,坐由程此标组能, 最后 同用够最理确小也定二3可个乘以圆估将心计的法这坐可个标以结和得果半到推径未。广知最节到后点三利的维用坐的三标边情。测况量。法,
优点:能够取得不错的精度 缺点:装有天线阵列的节点的耗能、尺寸以及价格都要超过普通的 传感节点, 与无线传感器网络低成本和低能耗的特性相违背, 所以 实用性较差。
3.1.4基于接收信号强度的方法
早R期SSI的是R在SS已I距知离发测射量功方率法的有前H提igh下to,w接er收等节人点设测计量的接室收内功定率位,Sp计ot算ON传t播ag损s系耗统, ,并通 使过用RS信SI方号法传来播估模计型两将点损间耗的转距化离为,距通离过。节点间的相互位置来进行定位, 在边长3 m 的立方体内, 其定位精度在1 m以内.
三.国内外基于测距的定位方法的研究
利用某种测量方法测量 距离(或角度)
利用测得的距离(或角度) 计算未知节点坐标
基于测距的算法
3.1距离的测量方法
距离的测量方法
基于时间的方法
基于信号到达角度的方 法(angle of arrival, AOA)
基于接收信号强度的方 法(received signal strength indicator, RSSI)
优点:低成本 缺点: 1.锚节点数量需求多
2.多路径反射、非视线问题等因素都会影响距离测量的精度
实例
3.1.5各种方法的研究比例
研究RSSI方法的大约占了以上 几种方法总数的52%, TOA方法 25%,TDOA方法13%和AOA方法10%, 从实用性的角度来看, 基于RSSI的 定位方法更简便易行。
基于信号传输时间的方 法(time of arrival, TOA)
基于信号传输时间差的 方法(time difference of arrival, TDOA)
3.1.1基于信号传输时间的方法
最早TO的A技TO术A通距过离测估量计信号算的法传是播在时非间来时计间算同距步离网, 该络技中术可利分用为对单称程双测距程和测双距程协测议距,进单行程测测 量距的即，信之号后只传单输程一测次距, 双方程法测在距后即续信号的到研达究后中立被即发提回出。, 前如者H需ar要te两r开个发通信的节A点cti之ve间B具at有定严位格 系的统时, 间它同由步一, 系后者列则固不定需在要网时间格同中步的, 但节是点本组地成时。钟的固误定差节同点样从会造移成动很节大点的中距离接偏收差超。声最波典,
型的应用就是GPS定位系统。TOA只有在视距(line-of-sight, LOS)的情况下才比较精确, 在非视距
并(通no过neTliOneA-o算f-s法igh计t, N算LO到S)情移况动下节, 点随着的传距播离距,离在的通增信加测范量围误3差0 也m左会相右应的增情大况。下, 其定位精 度达到9 cm, 相对精度9.3%.
目录
一.WSN节点定位的意义 二.主要的WSN定位方法 三.国内外基于测距的定位方法的研究 四.新型WSN定位方法 五.总结
一.WSN节点定位的意义
无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一 些定位相关领域有广泛的应用前景。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明 “在什么位置发什么了什么事件”, 从而实现对外部目标的定位和跟踪; 了解传感器 节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助, 从而实现网络的负载均 衡以及网络拓扑的自动配置, 改善整个网络的覆盖质量。定位最简单的方法是为每 个节点装载全球卫星定位系统(GPS) 接收器, 用以确定节点位置。但是, 由于经济因 素、节点能量制约和GPS对于部署环境有一定要求等条件的限制, 导致方案的可行性 较差。 一般只有少量节点通过装载GPS或通过预先部署在特定位置的方式获取自身 坐标。因此, 必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位。
二.主要的WSN定位方法
1.依据距离测量 与否
2依据节点连通 度和拓扑分类
3依据信息处 理的实现方式
测距算法
单跳算法
分布式算法
非测距算法 多跳算法
Baidu Nhomakorabea集中式算法
普遍认为基于测距和非测距的算法分类更为清晰,但大部分基于非测距的定位 算法只是停留在理论研究阶段, 且大都是在仿真环境下进行的, 需要假设很多不确 定因素, 而这些因素在实际应用中往往不能满足, 在实际应用中通常选择测距算法。
基于时间的优缺定点点位::在1方.L硬O法S件的情需定况求位下较精能高度取2虽得.传高较输,高信但的号从定易上位受面精环的度境例。影子响中可3.应以用看场出合其单测一距距离 较短, 且附加的硬件将增加节点的体积和功耗, 不适于实际应用。
实例
3.1.3基于信号到达角度的方法
AOA测距技术依靠在节点上安装天线阵列来获得角度信息。由于大部分节点的天线都是全 向的, 无法区分信号来自于哪个方向。因此该技术需要特殊的硬件设备如天线阵列或有向天线 等来支持。
实例
3.1.2基于信号传输时间差的方法
TDOA测距技术广泛应用于无线传感器网络的定位方案中。通常在节点上安装超声波收发器
和射由频M收IT发开器发, 出测距的时Cr锚ic节ke点t室同内时发定送位超系声统波最和电早磁采波用, 接了收R节F信点号通与过两超种声信波号信到号达时组间合差的来计 TD算O两A点测之距间技距术离,。在2 m×2 m×2.5 m的范围内, 该系统定位精度在10 cm以下, 现已 成为Crossbow的商业化产品。
3.2 节点坐标计算方法
三边测量法
三角测量法
极大似然估计法
三边测量法原理示意图 极大似三然角估测计量法法原原理理示示意意图图
已已知知3个n个节点点的A坐, B标, C和的它坐们标到和未未知知节节点点的D与距已离知, 节列点出A坐,
标B已,与C的距知角离3个度的,n节个每点方次A程计, 式算B,,2C个从的锚第坐节1标个点方以和程及未开知3始点节, 到点每组未个成方知的程圆均减 节去的最点圆后的心一位距个置离方，就程如可,已得以知到点估n−A算1,个C出与方该D程的未组圆成知心的点位线置D性的O方,坐由程此标组能, 最后 同用够最理确小也定二3可个乘以圆估将心计的法这坐可个标以结和得果半到推径未。广知最节到后点三利的维用坐的三标边情。测况量。法,
优点:能够取得不错的精度 缺点:装有天线阵列的节点的耗能、尺寸以及价格都要超过普通的 传感节点, 与无线传感器网络低成本和低能耗的特性相违背, 所以 实用性较差。
3.1.4基于接收信号强度的方法
早R期SSI的是R在SS已I距知离发测射量功方率法的有前H提igh下to,w接er收等节人点设测计量的接室收内功定率位,Sp计ot算ON传t播ag损s系耗统, ,并通 使过用RS信SI方号法传来播估模计型两将点损间耗的转距化离为,距通离过。节点间的相互位置来进行定位, 在边长3 m 的立方体内, 其定位精度在1 m以内.
三.国内外基于测距的定位方法的研究
利用某种测量方法测量 距离(或角度)
利用测得的距离(或角度) 计算未知节点坐标
基于测距的算法
3.1距离的测量方法
距离的测量方法
基于时间的方法
基于信号到达角度的方 法(angle of arrival, AOA)
基于接收信号强度的方 法(received signal strength indicator, RSSI)
优点:低成本 缺点: 1.锚节点数量需求多
2.多路径反射、非视线问题等因素都会影响距离测量的精度
实例
3.1.5各种方法的研究比例
研究RSSI方法的大约占了以上 几种方法总数的52%, TOA方法 25%,TDOA方法13%和AOA方法10%, 从实用性的角度来看, 基于RSSI的 定位方法更简便易行。
基于信号传输时间的方 法(time of arrival, TOA)
基于信号传输时间差的 方法(time difference of arrival, TDOA)
3.1.1基于信号传输时间的方法
最早TO的A技TO术A通距过离测估量计信号算的法传是播在时非间来时计间算同距步离网, 该络技中术可利分用为对单称程双测距程和测双距程协测议距,进单行程测测 量距的即，信之号后只传单输程一测次距, 双方程法测在距后即续信号的到研达究后中立被即发提回出。, 前如者H需ar要te两r开个发通信的节A点cti之ve间B具at有定严位格 系的统时, 间它同由步一, 系后者列则固不定需在要网时间格同中步的, 但节是点本组地成时。钟的固误定差节同点样从会造移成动很节大点的中距离接偏收差超。声最波典,
型的应用就是GPS定位系统。TOA只有在视距(line-of-sight, LOS)的情况下才比较精确, 在非视距
并(通no过neTliOneA-o算f-s法igh计t, N算LO到S)情移况动下节, 点随着的传距播离距,离在的通增信加测范量围误3差0 也m左会相右应的增情大况。下, 其定位精 度达到9 cm, 相对精度9.3%.
目录
一.WSN节点定位的意义 二.主要的WSN定位方法 三.国内外基于测距的定位方法的研究 四.新型WSN定位方法 五.总结
一.WSN节点定位的意义
无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一 些定位相关领域有广泛的应用前景。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明 “在什么位置发什么了什么事件”, 从而实现对外部目标的定位和跟踪; 了解传感器 节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助, 从而实现网络的负载均 衡以及网络拓扑的自动配置, 改善整个网络的覆盖质量。定位最简单的方法是为每 个节点装载全球卫星定位系统(GPS) 接收器, 用以确定节点位置。但是, 由于经济因 素、节点能量制约和GPS对于部署环境有一定要求等条件的限制, 导致方案的可行性 较差。 一般只有少量节点通过装载GPS或通过预先部署在特定位置的方式获取自身 坐标。因此, 必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位。
二.主要的WSN定位方法
1.依据距离测量 与否
2依据节点连通 度和拓扑分类
3依据信息处 理的实现方式
测距算法
单跳算法
分布式算法
非测距算法 多跳算法
Baidu Nhomakorabea集中式算法
普遍认为基于测距和非测距的算法分类更为清晰,但大部分基于非测距的定位 算法只是停留在理论研究阶段, 且大都是在仿真环境下进行的, 需要假设很多不确 定因素, 而这些因素在实际应用中往往不能满足, 在实际应用中通常选择测距算法。
基于时间的优缺定点点位::在1方.L硬O法S件的情需定况求位下较精能高度取2虽得.传高较输,高信但的号从定易上位受面精环的度境例。影子响中可3.应以用看场出合其单测一距距离 较短, 且附加的硬件将增加节点的体积和功耗, 不适于实际应用。
实例
3.1.3基于信号到达角度的方法
AOA测距技术依靠在节点上安装天线阵列来获得角度信息。由于大部分节点的天线都是全 向的, 无法区分信号来自于哪个方向。因此该技术需要特殊的硬件设备如天线阵列或有向天线 等来支持。