无线传感器网络定位技术浅析

无线传感器网络定位技术浅析

茆林艳

江苏省盐城技师学院   224000

    【摘　要】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、入侵检测及一些相关领域有着广泛的应用前景。然而，定位技术是无线传感网络的基础技术，对无线传感网络后续工作的开展及应用起着关键的支撑作用。首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发生了什么事件”，从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次了解传感器节点的位置分布状况可以提高网络的路由效率，从而实现网络的负载均衡及网络拓扑的自动配置，改善网络的覆盖质量。无线传感器网络定位是非常必要的。本文首先分析无线传感器定位的现状，分析其定位存在的问题和困难，然后对几种典型算法进行比较，比较其优缺点并提出改进方案。无线传感器网络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限制，导致方案的可行性较差。因此，一般只有少量的节点通过装载GPS或通过预先部署在特定的位置获取自身的坐标。

    【关键词】无线传感器网络；测距；定位；算法

    1　无线传感器网络定位的基本概念

    （1）无线传感器网络定位的几个常用术语：

    到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需时间。

    到达时间差：不同传播速度的信号从一个节点到达另一个基点所需要的时间之差。

    到达角度：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度。

    接收信号强度（RSS）：节点接收到无限信号强度的大小，也有称Received Sinnal Strength Indicator（RRSI），两个意思基本是一样的。

    视距关系（Light of Sight，LOS）：两个节点之间没有障碍物，能够直接通信。

    非视距关系（Non Light of Sight，NLOS），两个节点之间有障碍物，不能直接通信。

    跳数（Hop Count），两个节点之间的跳段之和。

    （2）无线传感器网络定位的基本概念

    无线传感器网络中的节点定位是指传感器节点根据网络中少数已知节点的位置信息，通过一定的定位技术确定网络中其他节点的位置信息的过程。

    在无线传感器网络中节点通常可以分为信标节点和未知节点，其中信标节点也称为锚节点或者参考点，未知节点也称为普通节点。信标节点是位置信息已知的节点，未知节点是未知信息未知的节点。信标节点一般所占比例很小，通常通过手工配置或者配备GPS接收器来获取自身的位置信息。

    除此之外还有一种节点称为邻居节点，邻居节点是指传感器节点通信半径内的其他节点。

    2　主要的WSN定位方法

    WSN定位方法有两种：基于测距和无需测距。

    1）基于测距

    基于测距（Range-based）：假设在传感器网络中某些节点位置信息已知，通过某些手段来估算其他节点的位置信息。在这里面通常有两个步骤：测距和位置估算。

    因为要通过信标节点得到未知节点的位置信息，必须先确定信标节点到未知节点的距离，才能得到未知节点的位置信息。

    ①通常测距的方法有4种：

    A、基于到达时间（TOA）的测距

    这种方法是根据已知信号的传播速度及信号在发送节点和接收节点之间的传播时间来估算距离，这种方法要求能够非常精确地获取发送节点和接收节点之间的传播时延，这个是比较困难的，难度很大，不太适合无线传感器网络。

    B、基于到达时间差（TDOA）的测距

    这种方法中发送节点同时发送两种不同传播速度的信号、接收节点根据两种信号到达的时间差和他们的传播速度来计算距离。假若两种信号的传宝速度为v1和v2，到达时间分别为t1和t2，发送节点到接收节点的距离为d，则有：

    t1-t2=d/v1-d/v2

    可得d=（t1-t2）v1v2/（v2-v1）

    C、基于到达角度（AOA）的测距

    这种方法根据接收信号到达时候与自身轴线的角度来计算，这种方法对硬件成本要求很高，要求配备天线阵列，不太适合无线传感器网络。

    D、基于接收信号强度（RSS）的测距

    信号在传播过程中会有衰减，无线信号的发射功率和接收功率存在某种映射关系，因此可以利用关系这个来估算距离。

    ②常用的位置估算方法有下面两种：

    A、三边测量法

    上面举的例子中的位置估算方法就是三边测量法，此处不再赘述。

    至于某些文献上提到的三角测量法个人觉得跟三边测量法是一回事，就不再介绍了。

    B、最大似然估计法

    2）无需测距（range-free）

    无需测距的定位算法不需要直接测量节点之间的距离或者角度，而是根据网络的连通性来实现位置估计得，典型的无需测距的算法主要有以下几种：

    （1）质心算法

    质心算法基于两个假设条件：射频信号的传播遵循理想的圆球模型；节点的通信半径相同且不会改变。

    质心算法是一种完全基于网络连通性的定位算法，其计算和实施难度都比较小，但是算法精度不高，并且通常要求信标节点具有较高的密度。

    （2）DV-HOP（Distance Vector-Hop）算法

    DV-HOP算法是为了避免对节点距离直接测量而提出的一种基于矢量路由的非测距定位算法。该算法的核心思想是通过距离矢量路由方法获取未知节点与信标节点之间的最小跳数，并计算每跳的平均距离，然后以每跳的平均距离与最小跳数的乘积作为未知节点与信标节点的估算距离，再使用三边测量法估算未知节点的坐标位置。

    （3）APIT算法

APIT算法的基本思想同质心算法的思想类似，它利用由信标节点组成的三角形覆盖重叠区域来确定未知节点的位置。

（4）MAP算法

    MAP是一种基于移动信标节点的非测距定位算法，也有称为MAN。其基本思想是利用可移动的信标节点在监测区域中移动并周期性的广播其当前的位置信息，然后可以确定两条以未知节点为圆心的弦，这两条弦的垂直平分线的交点就是圆心。

    该算法有与其他非测距定位算法相比有较高的精确度，但是缺点是移动节点是必须要有足够能量支持其在监测区域内移动，并且当未知节点的位置发生变化时，该算法有比较大的误差。

    （5）Amorphous算法

    （6）凸规划定位算法

    凸规划定位算法的核心思想是：如果两个节点能够直接进行通信，则它们之间的距离必定小于节点的通信半径。

    （7）Ring-Overlapping算法

    上算法都是有信标节点的定位算法，曾有人提出了一些没有信标节点的定位算法如SPA算法，这种算法主要是建立全局坐标系来估算未知节点的位置，但是这种算法复杂度非常高，不适合用于大规模网络，也有人提出针对SPA算法的改进算法，如SDGPSN算法。

    还有一部分人提出了一些其他的算法，比如AFL算法，其利用的是局部估算方法。还有人提出了基于分簇的定位算法。

    ３　无线传感器网络定位存在的问题

    无线传感器网络定位技术虽然在众多领域中应用，但其应用环境来说相对单一化，也就是说每一种算法针对的只是某一个问题，或者某一种特定的场景。在实际生活中，一单环境发生变化，该算法就会出现较大误差，甚至不再适用。因此为了适应复杂多变发的环境，我们应该研制出更多种类的定位算法或者定位系统。另外，安全隐患也是另一个需要研究的内容，一方面是需要节点的位置信息，另一方面，透露节点的位置信息，就会造成网络安全问题。解决这一问题的最好途径就是对信息进行加密。因此，无线传感器定位技术的研究任重而道远。