无线传感器网络节点定位技术的研究

史志军

【摘要】 本文主要从无线传感器网络的作用、无线传感器网络节点定位的分类、测距定位算法、基于测距的定位技术等四个方面对无线传感器网络节点定位技术进行分析及探讨。

【关键词】无线传感器网络 分类 算法

随着科技的进步，计算机和智能手机的广泛应用，无线传感器网络在生活中随处可见。下文将对无线传感器网络中的节点定位技术进行分析。

一、无线传感器网络的作用

节点定位问题是传感器网络应用的基础。节点定位技术是无线传感网络的一个主要支撑技术，无线传感器网络在计算机软硬件所组成计算世界与实际物理世界之间建立了更为密切的联系，极大地提高了信息的真实程度。网络层，可以设计基于节点位置信息的路由算法，提高路由效率，减少路由发现等开销，实现网络的负载均衡;在应用层，系统可以智能地根据节点位置，选择一些特定的节点来完成任务，提高系统的存活时间，降低整个系统的能耗。

二、基于无线传感器网络自身定位系统的分类

（一）绝对定位与相对定位。绝对定位与物理定位类似，定位结果是一个坐标位置。而相对定位通常是以传感区域某点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。 （二）物理定位与符号定位。经纬度就是物理位置;而某个节点在某街道的某门牌的建筑物内就是符号位置。（三）集中式计算与分布式计算定位。集中式计算是指把所需信息传送到某个中心节点，并在那里进行节点定位计算的方式;分布式计算是指依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行计算的定位方式。（四）移动信标与固定信标定位。移动信标节点是一类装备了GPS或其它定位装置的可移动节点，它在移动的过程中周期性发布自己的位置信息。

三、测距定位算法

3.1测距/测角技术

（一）接收信号强度（RSSI）：根据接收到的RSSI值计算出信号的传播损耗，然后利用信号传播模型将其转化为距离信息，该技术主要使用RF信号。商业无线芯片本身具有RSSI获取功能，无需额外硬件;故其是一种低功率、低成本的测距技术。（二）信号传播时间（TOA）：已知信号的传播速度根据信号两点间的传播时间来计算传输距离，需要精确的时间同步，因此需要昂贵的、高能耗的电子设备来确保时间同步，如GPS定位系统。 （三）信号传播时间差（TDOA）：根据两种信号在两点间的到达时间差及信号传播速度计算出两点间的距离，不需要时间同步。

3.2定位计算方法

3.2.1三边测距法和多边测距法

在二维空间中，知道一点到三点或三点以上的距离就可以确定该点的坐标。三边测距法的原理就是求解三个已知半径和圆心坐标的圆的交点，可表示为：（x-x1）2+（y -yi）2=r2i，i=l，2，3（1）。设锚节点坐标分别为（xl，yl），（x2，y2），…，（xk，yk），未知节点S的坐标为（x，y），S到锚节点的测量距离为Si;根据最小二乘法原理：

设目标函数：F=min∑（dSi - S1）2式中：dSi=（x-xi）2+（y -yi）2采用优化的方法使估计位置与实际位置间的差最小，从而估计出节点S的坐标。

3.2.2三角测距法

三角测距法也称AOA定位法，如图l（c）所示，设参考节点A和B的坐标分别为（xl，yl），（x2，y2），待定位节点S的坐标为（x，y），节点S到参考节点A和B的角度分别为θ 1和θ 2，则有如下关系式：tanθi=x - xiy - yi，i=l，2（2）通过上述非线性方程组可得未知节点S的坐标（x，y）。

四、基于测距的定位技术

4.1基于RSSI的定位

在基于接收信号强度指示的RSSI定位技术中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收信号的强度，计算出传播损耗，利用理论的或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离，然后再计算出节点的位置，该技术主要使用RF信号。

4.2基于TOA的定位

在基于到达时间的TOA定位技术中，已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用已有的算法计算出节点的位置。

4.3基于TDOA的定位

在基于到达时间差的TDOA定位技术中，发射节点同时发射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以及这两种信号的传播速度计算它和发射节点之间的距离，再根据已有的基本定位算法定位节点。

4.4基于AOA的定位

在基于到达角度的AOA定位技术中，接收节点通过天线阵列或多个超声波接收器探测发射节点信号的到达方向，计算它和发射节点之间的相对方位，再通过三角测量法计算出节点的位置。

五、结束语

总之，无线传感器网络节点技术，作为新兴的科技技术的代表，要掌握其技术要点，在应用的同时也要注重对技术的创新，使其得到更广泛的应用。

参 考 文 献[1]丰皇.无线传感器网络节点定位技术综述.信息技术.2013年3月，第2期，66-68[2]王福豹.无线传感器网络节点定位系统与算法的研究和发展，信息与控制.2012年4月，第4期，43-47