无线传感网络常用定位算法分析

无线传感网络常用定位算法分析

高珩，马玉红，鲍鹏

中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏徐州（221116）

E-mail：ghhappy007@

摘要: 节点自身定位技术作为无线传感器网络的一种核心支撑技术，是无线传感器大多数实际应用的基础。传感器自身定位算方法主要可以分为两类：基于测距的定位算法与非基于测距的定位算法。相比前者，后者由于具有成本和功耗等方面的优势，而成为业界研究热点。本文对常用的节点定位算法进行了介绍、分析、比较，提出了算法的改进优化方向，对节点定位算法的未来研究内容进行了展望。

关键词: 无线传感器网络；节点定位；算法分析比较；优化策略

1 引言

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟, 无线传感器网络的研究应用日益广泛，并引起了世人的极大关注。无线传感器网络是由大量具有感知、计算和通信能力的微型传感器以无线形式构成的自组织网络，它通过节点间的分工协作、实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些数据进行处理，从而获得详尽而准确的信息，最终传送给用户。无线传感器网络具有低功耗、低成本、自组织的能力, 能够自动进行配置和适应环境的变化, 具有动态可重构性等特点,能广泛应用于军事领域、精细农业、环境监测]1[、智能家居、城市交通等方面。无线传感器网络节点定位技术，是无线传感器网络应用领域重要的共性支撑技术之一，对其研究具有非常重要的意义，无线网络的许多应用都与无线传感节点位置息息相关。在很多无线传感应用中，都需要节点定位的支持：事件监测都需要提供位置信息，比如森林救火，地震救灾，水质检测，目标跟踪等；锚节点坐标在提供地理路由上发挥巨大作用，可以为无线传感网络路由协议的研究提供支持；在进行大气空间现象研究上，人们需要定位算法来提供位置参数。除了以上领域，定位算法还有诸多应用，在此就不一一列举了。

2 节点定位算法介绍

2.1节点定位算法的特点

在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出了很高的要求。传感器网络的定位算法通常具备自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等特点[2]。

2.2 无线传感器网络定位算法分类

目前在定位系统方面应用最为成熟的是全球定位系统, 但由于其会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制,因此,不适用于低成本自组织的传感器网络。近年来，随着无线传感器网络的发展，世界各地的专家学者提出了许多相关定位算法，按照定位手段的不同，当前的定位算法大体可以分为以下两大类：

2.2.1 集中式和分布式定位算法

集中定位是指节点把定位所需信息传送到中心节点，在中心节点行节点位置计算；分布式定位通过节点问的信息交换和信标节点辅助的定位方式。分布式算法相对于集中式算

法具有以下特点：自我组织能力强，不依赖于全局基施；健壮，能够容忍节点失效和测距误

差；节能，只需要较少的计算和通信开销。因此分布式算法更适用于大规模的传感器网络。

2.2.2 基于测距算法和无需测距算法

基于测距算法通过测量节点之间的距离或角度信息，使用三边测量、三角测量或最大似

然估计等定位算法计算节点位置，而无需测距定位算法则不需要距离和角度信息，算法根据

网络的连通性等信息实现节点定位。典型的无需测距的算法有：质心算法，APIT 算法，

DV-Hop 算法，Amorphous 算法等。无需测距技术的定位机制不需要实际测量节点间的绝对

距离或方位,就能计算未知节点的位置，从而降低了对硬件的要求。

2.2.2.1 基于测距的算法

a)三角测量法

三角测量定位方法也称为信号到达角度定位法或方位测量定位法，该方法是通过未知节

点接收器天线或天线阵列测出锚节点发射电波的入射角,从而构成一根从未知节点到锚节点

的径向连线,即方位线，在二维平面中,利用两个或更多锚节点的测量值,按照定位算法确定多

条方位线的交点,即可计算出未知节点的估计位置。

b)三边测量法

在三维空间中,知道了一个点到四个锚节点的距离,就可以确定该点的坐标,这一点与全

球定位系统的基本原理一样，只不过在无线传感器网络中,坐标系大多是二维空间,因此,只要

知道了一个节点到三个锚节点的距离就可以确定节点的位置。

c)极大似然估计法

假设已知1，2，3等n 个节点的坐标分别为

112233(,),(,),(,),,(,)n n x y x y x y x y "，它们到节点D 的距离分别为123,,,,n d d d d "，假设节点D 的坐标为(,)x y 。

那么存在下列公式：

()()()()222

111222n n n x x y y d x x x y d ⎧−+−=⎪⎪⎨⎪−+−=⎪⎩#

利用矩阵知识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：

1ˆ()T T x

A A A b −= 2.2.2无需测距算法

(1)质心定位算法[3]：一个普通节点所有直接连通锚点组成的多边形的质心作为该节点

的位置。质心算法的原理首先是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。

在这个算法中，信标节点周期性地向邻近节点广播信标分组。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值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。

质心算法完全基于网络连通性，无需信标节点和未知节点之间的协调，因此比较简单，

容易实现。但质心算法假设节点都拥有理想的球型无线信号传播模型，而实际上无线信号的

传播模型并非如此。而且，用质心作为实际位置本身就是一种估计，这种估计的精确度与信

标节点的密度以及分布有很大关系，密度越大，分布越均匀，定位精度越高。所以又有人提