基于测距的WSN节点自定位技术分析

房鑫平孙福阳李安莹

（沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159）

1 引言

无线传感器网络（WSN）是由大量的成本低、功耗少、体积微小，计算、存储和通信能力有限的无线传感器节点，构成的自组织网络。在科研、军事、民生等方面具有广泛的应用前景。节点自定位技术就是网络中的普通节点，按照某种定位机制确定自身的地理位置的技术。该技术是WSN中网络协议和网络应用基础，因此对WSN起着关键作用。

从是否需要测量实际物理量的角度出发，目前在WSN中常见的定位技术可分为：距离无关（Range-free）的定位技术和基于测距（Range-based）的定位技术。

距离无关的自定位技术主要包括：质心法、APIT 法、DV-HOP法、Bounding Box 法等。该类定位技术不需要测量节点之间的绝对距离和方向等实际物理量，这样就大大降低了对节点硬件结构的要求。此类技术具有计算复杂度低、实现简单、通信过程简易等优点。存在定位精度有限，误差较大，一般无法适用于对精度有较高要求的场景的缺点。

基于测距的自定位技术主要有：RSSI、AOA、TDOA、TOF等。该类技术主要是通过获取具体量化的物理量进行定位，具有能够实现较精确地定位，适用面较广，几乎可以在各种场景中使用的优点。存在计算复杂度较高，通信量大，对节点的硬件配置有一定要求等缺点。相比较于距离无关的定位技术，基于测距的自定位技术定位精度高，拥有广泛的适用范围，故而本文重点讨论基于测距的定位技术。

2 常见的WSN节点间测距技术

目前，常见的基于测距的WSN自定位技术主要包括：RSSI、TDOA、AOA、TOF等。其中TOF技术主要包括：TOA、TW-TOA和SDS-TW-TOA等。在实际应用中，可以根据具体要求选取合适的技术。

2.1 基于接收信号强度RSSI

RSSI技术主要是通过获取信号在空气中传播的能量衰减，根据无线信号的传播路径损耗模型来计算出节点之间的距离。该测距技术的优点为不需要新增额外的硬件，故而测距成本不高，适用于低精度定位系统。缺点是传播路径损耗模型是数学上的理想模型，在实际测距时易受到周围环境的影响，造成较大的误差。

2.2 基于到达时间差TDOA

在TDOA技术中，发射节点发射不同传播速度的信号，接收节点根据不同信号的到达时间和信号的不同速度，计算出两个节点之间的距离。该技术的优点是测距精度高、通信过程简易。该技术的缺点在于需要发射两种不同的信号，因此需要节点添加额外的发射和接收设备，这导致该技术成本相对较高。

2.3 基于到达时间TOA

信号在空气中传播的速度v是常量，TOA测距技术根据信号在节点之间传输时间t和信号速度v计算出两节点之间的距离。TOA测距技术具有计算量小、通信过程简单、测距精度很高的优点。缺点为该技术要求节点之间有着严格的时钟同步，这需要额外的辅助设施或者复杂、昂贵的硬件支持。高成本限制了该技术在WSN中的应用。

2.4 基于到达角度AOA

AOA技术通过阵列天线或多模接收器等获取待测节点和两个锚节点的方位和夹角。该技术的优点是可以提供节点的方位信息，故而需要较少的锚节点数量即可完成定位任务。缺点在于该技术需额外为节点装备天线阵列或多模接收器等部件，这将增大传感器节点的体积和整个网络的成本。

2.5 TW-TOA测距方法

该技术通过记录数据包在发送节点和接收节点之间往返的时间，计算得出两个节点的距离。TW-TOA具有不需要增加额外的硬件或辅助设施，就可以获得较高的测距精度，比较适合WSN网络节点测距的优点。TW-TOA测距技术的误差主要来自节点时钟与标准时钟间的时钟偏移。缺点为相比于其他测距方式通信量偏大。

2.6 SDS-TW-TOA测距方法

SDS-TW-TOA是对TW-TOA测距法的扩展。第一阶段，节点i发起测距；第二阶段，节点j发起测距。每一个阶段过程都和TW-TOA测距法一样。该技术的优点是可以大大降低时钟偏差对节点测距的影响，测距精度很高。缺点为测距过程繁琐，需要更多的时间和能耗。

结语

近年来，WSN节点自定位的相关技术在理论研究和实际应用中取得一定成果的同时，仍然存在一些问题需要解决：

（1）各种定位技术多数有其适用的范围，通用性不高；

（2）对实际应用中可能存在的各种情况适应性不足；

（3）对潜在的三维应用前景的研究不足。

鉴于WSN自定位技术的发展情况，笔者认为未来的研究热点为：

（1）现有定位技术的融合，以实现更加合理和通用的定位；

（2）可以适应不同实际环境的节点自定位技术；

（3）针对WSN中移动节点的自适应定位；

（4）针对节点的三维定位技术。

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