无线传感网络定位技术研究与实现

无线传感网络定位技术

无线传感网络定位技术

摘要

当代移动通信和无线网络技术的不断进步，使得我们在平时的生活中更加依赖于自动化或半自动化的设备。目前无线传感网络技术越来越受到人们的重视，并且已经应用在航天、生态、救灾和家居生活等众多领域。其中定位技术在无线网领域中有着非常关键的作用，大多数情况下没有坐标信息的无线传感器节点缺少实际使用价值。目前已有较为成熟的无线传感网定位技术可以被分为需要测距的定位技术和与测距无关的定位技术。本文首先分别介绍了基于测距的定位技术和无需测距定位算法的基本原理，并在此基础上研究了常用二维和三维无线传感网定位算法。

关键词：无线传感网络定位二维定位三维定位

Abstract

With the development of mobile communications and wireless networking technology, people have increasingly high demand for automation equipment. Currently,wireless sensor network technology draws more and more people's attention,and it has been used in many fields,such as aerospace, military, medical,disaster rescue and medical area. Positioning technology plays a very important role in wireless sensor networks. In most cases, a wireless sensor node without location information is of no value useless. Currently,positioning technology is divided into the localization algorithm based on ranging and localization algorithm based on non-ranging. Firstly,the paper introduces the basic principles of the localization algorithms based on ranging and non-ranging. On the basis of these,we investigated common two-dimensional and three-dimensional localization algorithm for wireless sensor networks.

KEY WORDS：wireless sensor networks positioning, two-dimensional

positioning, three-dimensional positioning

1.绪论

1.1引言

无线传感器网路（WNS）被誉为21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的l0大技术之一，无论在民用领域还是军用领域均有巨大的应用前景。无线传感器节点通常随机布放在不同的环境中执行各种监测和跟踪任务，以自组织的方式相互协调工作，最常见的例子是用飞机将传感器节点布放在指定的区域中，随机布防的传感器节点无法事先知道自己位置，传感器节点必须能够实时地进行定位。因此位置信息对传感器网络的监测活动至关重要，事件发生的位置或获取信息的节点位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信息，对于大多数应用而言，在不知道具体位置信息的监测消息往往是毫不意义的。传感器节点必须先明确自身位置才能够详细说明“在什么区域或位置发生了特定事件”，来实现对外部目标的定位、追踪和覆盖。因此，确定事件的发生的位置或获取信息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用[1]。

在无线传感器网络的各研究分支中，定位技术是无线传感器网络中关键的支撑技术之一。首先，在无线传感器网络的各种应用中，节点的感知数据必须与位置相结合，离开位置信息，感知数据是没有意义的，如环境监测、抢险救灾、森林火灾监控等，没有地理位置信息就无法确定事件发生何处，也不能够采取有效及时的处理措施。其次，使用传感器节点的位置信息能够提高路由效率，节约能耗，增强网络安全性及实现网络拓扑的自配置等。然而，传感器网络规模通常比较大，给网络中所有节点均安装GPS收发器或者人工配置节点位置会受到成本、能耗、效率等问题的限制，甚至在某些场合可能无法实现。因此必须开展适合无线传感器网络特点的定位技术研究。基于上述原因，定位技术在无线传感器网络的理论研究和应用中具有重要的意义，已经成为了无线传感网络技术中的一个研究热点。

1.2无线传感网定位技术概述

在定位领域中，无线传感网络的节点可以分为两类：一类是己知自身坐标的节点，被称为信标节点或销节点，该节点通常是通过GPS或人工部署的方式得到节点坐标的；另一类是位置坐标节点，被称为未知节点(Unknown Node)，该类节点则是需要我们通过周围的描节点所提供的信息来估算出自身节点的坐标信息。

根据未知节点定位过程中是否需要周围描节点提供距离信息，可以将定位算法具体分为两大类：一类是需要测距的定位算法，即需要错节点提供与未知节点间的距离信息；另一类是无需测距的定位算法，即不需要锚节点提供测距信息，仅通过角度或数据传输经过的跳数等信息则可以完成定位的算法。

一般来说，基于测距的定位算法利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法来计算节点的位置，常用的测距技术有RSSI，TOA，TDOA和AOA。RSSI定位技术具有功耗低和硬件成本低的优势，但也存在多路径损耗等问题影响从而存在一定的误差。TOA(根据到达时间定位)需要节点间有较为精确的节点时间同步机制，对于硬件设备要求比较高，并且对网络结构较为不均勾的网络来说更加难于实现。TDOA根据到达时间差定位技术，需要利用超声波信号传播对于到达时间的准确测量来定位，但超声波距离有限并且有障碍物等环境问题对超声波的传播有一定的影响；AOA(根据信号到达角度定位技术)受外界环境干扰严重，并且需要额外的硬件来计算信号到达时的角度。

基于测距的定位算法比较精确，但需要节点本身通信频率较高，从而节点能耗幵销较大。无需测距的定位算法则无需通信频率较快，提高了定位能耗，但是却牺牲了一定的定位精度。虽然定位精度降低了，但其在实际应用中仍然具有许多典型案例。目前常用的无需测距的定位算法有质心算法，DV-Hop算法，APIT 定位算法。质心算法的原理是通过获取网络中节点间的连通关系来佔算连通节点问的距离，从而进一步利用连通节点组成的儿何图形质心来估算H标节点坐标。DV-Hop算法能够通过多跳传输获取到目标节点无线覆盖范围之外的信标节点的数据，从而获取到更多的有用信息。APIT定位算法是将错节点的区域划分成一个个三角形区域，通过判断未知节点位于哪些三角形区域内，进一步缩小定位范围。利用描节点本身的坐标即可进一步得出目标点的位置。