无线传感器网络定位算法的对比研究

高立兵 苏军德

摘 要：本文在比较和分析了无线传感器测距技术的定位方法的基础上主要研究了测距差定位算法（SSDOA），并且对其模型进行了仿真模拟实验，结果显示，SSDOA定位算法相比经典的RSSI算法具有定位准确，误差较小的特点，并且其定位误差随测距误差的变化趋势也较RSSI测距方法较低，这说明，SSDOA定位技术较经典的RSSI定位技术更为优越，可以在一些无线传感器网络中广泛使用。

关键词：无线传感器；SSDOA；定位算法對比分析

无线传感器网络是结合计算机、无线通信及传感器等多学科相互渗透的结果，也是信息获取、传递及处理的产物。作为一种全新的技术手段，无线传感器在国防、环境监测、抢险救灾和危险区域的远程控制等诸多领域广泛应用。就目前来看，国内外大多数应用都是在传感器感知数据不确定的情况下实施的，因此对无线传感器网络的定位算法的研究具有相当高的理论和现实的意义。

目前，无线传感器测距技术的定位方法主要有RSSI（Received Signal Strength Indicator）、TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference on Arrival）和AOA（Angle of Arrival）。近年来，国内外许多学者对此也进行了研究与应用，乔钢柱等对[1]TOA法进行了分析研究，并利用TOA的计算方法设计了煤矿的检测与传感系统；Shang Yi在原来的集中式算法MDS-MAP定位基础上进行改进，改进的多维尺度定位算法，不同的跳数计算相对较小的图块，最后拼接成一个地图的全局位置。黄建清、王卫星等[4]也应用无线传感器定位系统构建了基于无线传感器水产养殖的检测系统。但不同的测距技术定位方法有其不同的优缺点，比如TOA和TDOA在无线传感器中难以实现，AOA在无线传感器网络应用中成本较高等。本文就是通过对无线传感器测距技术定位方法进行对比研究，在此基础上，对RSSI测距方法进行重新的参数校正，并利用校正后的模型构建矿山井下的定位系统，为矿山生产提供技术保障。

1 无线传感器网络的结构和特点

1.1 无线传感器网络的结构体系

无线传感器网络具有相关性和多样性[2]，不同的学者[3]对此也有不同的见解，其主要包括以下几部分，如图1所示。

（1） 网络用户。其主要负责收集信息，加工及处理信息，同时对网络发出命令和提示操作。

（2） 传输方式。是无线传感器之间信息传递和交流的桥梁和纽带，主要包括因特网，移动通信网和卫星等。

（3） 传感网络。无线传感器网络的核心。在感知区域，众多节点自组成网，并汇聚监测、感知信息对其进行发送或接受，从而改变自身状态。

1.2 无线传感器网络特点

（1） 高度面向应用系统。由于不同传感器其应用背景不同，其注重参数也不同，所以对应用背景要求也不同。因此，无线传感器设计的目的就是对客观环境和所获取的信息进行分析和感知。

（2） 拓扑结构动态性。无线传感器的拓扑结构受诸多因素的影响，其主要有：①电能耗尽等原因致使节点失效；②环境屏蔽作用致使无线通信链路发生变化，进而中断；③节点位置的变化。

（3） 自组织性。无线传感器可利用其自组织能力自动配置和管理网络，同时自动检测数据以适应网络拓扑结构和动态变化。

2 基于测距技术的定位方法

2.1 基于RSSI的测距方法

基于RSSI的测距方法主要是利用已知发射功率，通过接收节点接收功率，计算传播损耗。该方法主要使用理论经验模型来计算距离。由于此方法传感节点本身没有无线通信功能，所以是一种低功耗、廉价的测距技术。但是，其也受许多因素的影响，比如反射，多径传播、非视距等都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。通常将其看作一种粗糙的测距技术，有可能产生50%的测距误差.

2.2 基于TDOA的测距技术

在无线传感器网络节点定位中，时间TDOA测距是通过对两种不同的无线信号进行计算，之后利用无线信号到达未知节点的时间，再根据两种信号的传播速度来计算未知节点与锚点的距离。

2.3 基于AOA的测距技术

基于AOA的测距技术是通过阵列天线和接收机来测得发射机的方位，之后再通过方位线延长线的交点测的未知节点的位置。但这种定位方法对设备系统要求较为复杂，并且在两节点之间有视距的要求。图2所示为AOA定位示意图，节点通过麦克风阵列，感知发射节点信号的到达方向。

2.4 基于TOA的测距技术

TOA测距技术是通过测量信号间的传播时间来测量节点的距离。此方法要求，知道接受信号的锚点或未知节点开始传播的时刻，同时要求节点有非常精确的时钟。

2.5 不同测距技术的对比分析

通过对不同测距技术的定位分析发现，基于TOA和TDOA的测距技术定位应用难度大，其中，TDOA技术具有对硬件要求高，无线传感器分布密集，传播范围小的缺陷，在现实中应用成本较高。AOA技术虽有传播信号精确的特点，但实现其的硬件设备较为复杂，并且需要两节点之间存在视距（LOS）传输。RSSI测距定位方法是一种较为成熟的方法，虽然其传输环境因素的影响较大，但可以通过参数的校正减小其传输误差，并且RSSI测距定位技术具有对硬件要求较低，实现方便，经济成本较低的特点。因此，本文就是在经典RSSI算法的基础上，利用SSDOA（测距差值定位算法）的测距定位方法，构建矿山井下的定位系统。

3 测距差值定位算法（SSDOA）

3.1 测距差值算法的原理与数学模型

RSSI定位方案是先测定接收到信号的强度，然后再根据传播模型计算信号的衰减强度，从而根据衰减信号计算未知节点的坐标。但在实际应用中，电波受环境等因素的影响，从而影响RSSI的定位精度。SSDOA方法是通过RSSI测距获得未知节点与信标节点的距离估计，每两个测距值作差运算可构成一个双曲方程组，因此多个测距值可以构成关于未知节点坐标的双曲线方程组，求解该方程组可以获得未知节点的位置估计。

多个RSSI值就可以构成一个关于未知节点的双曲方程组，求解该方程组就可以得到未知节点的位置坐标，如图4。

3.2 基于Chan算法的模型求解

Chan氏算法是利用双曲线方程组的非递归算法，其采用两步最大似然估计（MLE）[5]。Chan氏算法有许多优点，比如计算量小、易实现、定位精度高等，同时Chan氏算法还能利用WSN网络提供的RSSI值，降低随机误差的影响，进而取得更好的定位性能。

3.3 仿真实验

本文在仿真实验中，10倍的10平方米面积的模拟环境，从环境中可见，在四角的平方面积四信标节点的安排，随机安排30未知节点区域。信标节点依次广播定位数据帧对未知节点进行定位，测距不采用误差修正而进行测距差值定位算法的定位仿真，进行测距差值定位算法的定位仿真，对比二者可以直观的看出，当测距采用最小二乘法对环境参数进行修正时，分析得知误差变为原来的约50%左右，这说明采用测距定位算法的定位误差要小，定位精度要高，因此保障测距精度对计算误差固定的定位算法来说，起着举足轻重的作用。

在上述研究的基础上，本文还分别分析了测距差值定位算法和经典RSSI定位算法的定位误差随着测距误差的仿真实验，每当测距误差以1%的幅度增加时，测距差值定位算法的定位误差也随之增加。当平均定位误差在50%时，30个未知节点的平均定位误差接近20%，最大（小）定位误差反映节点定位误差的上下线区域。上述表明，定位算法的精度可以通过有效提高节点的测距精度，減小测距误差来控制。与经典RSSI测距算法相比较，虽然个别未知节点的定位精度相同、甚至有所提高，但整体定位精度与测距差算法相比较，定位精度不及RSSI的平均定位精度。所以这两者定位性能相比较而言，测距差值定位算法的定位性能处于优势。

4 结论

本文通过对无线传感器测距技术的定位方法进行分析对比发现，目前常用的测距定位方法都有不同的优势与缺陷，RSSI作为无线传感器中最普遍的方法，有其价格低廉，容易实现的优势，但其定位受环境因素的影响较大，鉴于此，本文重点研究了测距差值定位算法（SSDOA），并且仿真模拟实验显示，与经典的RSSI定位方法相比，测距差值定位方法定位精度更高，误差更小。定位误差对比分析中也显示，当测距误差大于10%，两种定位算法的平均定位误差有相似的分离趋势，但经典定位算法的平均定位误差要高于测距差值定位算法的平均定位误差值，这说明测距差值定位算法的定位性能要优于经典算法的定位性能，在一些无线传感器网络中可以广泛应用。

【基金项目：1.甘肃省科技计划资助（1304GKCC044）； 2.甘肃省高等学校科研项目（2015B—198）】

参考文献

[1] 乔钢柱.基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计与关键技术研究[D].兰州理工大学，2012.

[2] 黄建清，王卫星等.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与实验.农业工程学报，2013，4（1）：18-22.

[3] 饶云华，代莉，赵存成，曹阳.基于无线传感器网络的环境监测系统.武汉大学学报，2006，52（3）：345-348.

[4] 范志平，邓良，刘林.蜂窝网无线定位.北京：北京电子工业出版社，2002.

[5] 王福豹，史龙，任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法.软件学报，2005，16（5）：857-868.