无线传感器网络节点定位技术

吴杨 孙蔚 夏东盛 封磊

【摘要】本文从算法性能、已有的定位算法、定位算法的分类和WSN节点定位机制的评价标准等方面，针对无线传感器的网络定位技术进行详细的分析和探讨。并与经典的APIT算法、凸规划定位算法进行了比较。结论显示出在不同的环境之下不同的算法各有优劣，并不能指出最好的算法。实际操作中应该根据实际的需求来选择算法，并对未来无限传感器网络节点定位技术的发展方向做出了预测。

【关键词】无线传感器;网络节点：定位技术

前言

无线传感器网络（WSN）是基于微机电系统、数字电子技术和无线通信的发展上所形成的厄一种新型技术，其主要的核心内容包括有网络通信协议、节点定位、时钟同步覆盖和布局等等[1]。其中，对于无线传感器网络空间探测、目标追踪和环境监测等功能而言，节点定位是必不可少的技术内容，同时也是无线传感器网络的基础功能之一。当前，无线传感器网络节点定位技术的最新研究方向主要集中在能耗、覆盖率、节点密度、定位精度和定位系统的算法优势上，以下将对其进行详细的描述。

1.定位机制

无线传感器网络节点的分布是随机性的，相对能量受到限制且可靠性不足，在有限的距离限制下，这就对于算法的技术提出了较高的要求。一般而言定位的机制可以分为以下几个程序：首先是采取AOA、TDOA、TOA和RSSI等测量技术来获取邻居锚节点的角度和距离，并通过信息的联通的估算节点间的实际距离[2]。然后，通过算法的运算来得出实际的距离值。一般可以采取的计算方式有极大似然估计法、三角测量法和三边测量法等等。最后，对所得的数据进行处理和优化。

2.性能指标的评价

无线传感器网络节点的定位技术的性能，对其他功能都有着直接性的影响。因此在对其进行评价的方面，我们一般选取以下指标来作为对象和标准。例如，代价、功耗、自适应性和容错性、覆盖率、锚节点密度和定位精度等[3]。都是常用来衡量和评价无线传感器网络节点定位技术性能的指标。

3.无线传感器网络定位算法的种类

无线传感器网络定位算法的种类多种多样，一般都没有固定的标准，往往根据实际的情况来进行分类和区分。

3.1 测距定位和非测距定位

第一种采取的是测量两个节点之间的方位和距离，根据做的的具体数据来推测两个节点之间的大概位置。而第二种方式则无需测量精确的距离，还需要通过测量相对的距离或者位置就可以推算出两个节点之间的大概距离，并推算出其大概位置。Range-based定位算法的常用的方式主要有到打搅测距AOA、时间差测距TDOA、到达时间测距TOA和接受信号强度测距RSSI等[4]。

3.2 相对定位和绝对定位

和物理定位基本类似，是绝对定位的特点。定位的结果通常都可以得到一个精确的位置坐标。与之相对应的相对定位方式，则是利用网络中已知的定位节点形成的整体网络作为基础，以绝对定位的节点坐标为对照来定位其余的节点。这种定位方式的优点是不太容易受到节点移动的影响，在应用的范围上具有广阔性。并且在相对定位的基础上还可以实现一定程度上的路由协议。这种路由协议是不需要锚节点的。

3.3 分布式计算和集中式计算

所谓的分布式计算是指根据节点和节点之间的协调和信息交换，任由節点自由进行计算的一种计算形式;而集中式计算则是指将所需要运算的信息通过节点传输到中心节点之后再进行定位计算，最后得到结果的一种计算方式。

3.4 松散耦合和紧密耦合

松散耦合的定义是指定位系统中的各个锚节点采取的是不需要中心控制器的协调形式和分布状态。而紧密耦合是指各个节点通过固定的形式与中心控制器相连接，并且固定在一定的物理位置上。

3.5 粗粒度和细粒度

细粒度是指可以依据时间的长短和信息信号的强弱来判断锚节点之间的位置。并且还可以分为基于方向测量和距离两种不同的测量形式。而粗粒度是指依据锚节点之间的接近程度来进行节点距离的估算和测量。

4.经典无线网络传感器定位系统算法

怎对无线传感器网络节点定位的经典算法有很多种，其中在各种不同的使用环境下，不同的算法具有不同的优点和是适应性，很难说哪一种是最好的，并且由于节点的数量上的限制，计算能力和存储能力的局限性，因此对于算法的要求是尽量的高效简单的。经典的Range-based定位算法从精确度上而言非常不错，但是由于大部分的系统成本较低，功率较低，因此很难运用这种能耗大，复杂性高的系统。

4.1 APIT算法

该算法的核心思想是将需要定位的节点周边的节点位置信息收集到位，主要是形成三个已知锚节点形成的三角区域内，位置节点是否存在其中，并且运算出所有的可能性，最后对未知的节点进行精确的定位。这种算法的优点是具有较小的误差概率，但是也会有一定的使用缺点那就是对于参考节点的密度较大，所以如果节点的密度较低的情况下，不适宜选取这种算法。

4.2 凸规划定位算法

这种算法的基础是来源于网络的连通性来实现的，通过约束诱导节点之间两点的通信连接来作为节点定位的几何约束的基础。这种算法的优势在于将整个网络模块化并且形成了一个凸集，从而将节点定位的问题转换成为了凸约束优化的问题来解决。

5.小结

文章中，针对经典的无线传感器网络节点技术的算法进行了简答的比较和分析，并对定位的算法分类、评价的标准和性能评估都做了一定阐述，比较了算法之间的优势。总而言之，在不同的测试环境下，不同的算法具有不同的功效，没有说哪一种算法是最好的，因此具体采取哪种算法应该根据实际的运用需求来进行实际分析。

参考文献

[1]王梓有，周宪英.无线传感器网络中AOA节点定位改进算法研究[J].电子设计工程.2012（13）.

[2]刘世森，汤朝明，吴畏.无线传感器网络中的TOA测距方法研究[J].工矿自动化.2012（03）.

[3]刘影，钱志鸿，王雪，李奕男.基于到达时间差的无线传感器网络质心定位算法[J].吉林大学学报（工学版）.2010（01）.

[4]孙妍，陶正苏，陈德富.基于无线传感器网络的室内精确定位算法[J].传感器与微系统.2009（05）.

注：基金编号：zk13-37。