无线传感器网络节点定位算法研究

彭燕

摘要： 文章介绍了无线传感器节点定位技术的相关术语，结合常用的定位算法，主要介绍了DV-hop算法、质心定位算法和DV-distance等算法进行了介绍，不同的范围可以使用不同的算法。最后定位算法的评价标准被介绍。

Abstract： This paper introduces the related terminology of wireless sensor node location technology， and introduces some commonly used algorithms such as DV-hop algorithm， centroid localization algorithm and DV-distance algorithm. Different algorithms can be used in different ranges. The final location algorithm evaluation criteria are introduced.

关键词： 无线传感器网络节点；节点定位技术；节点定位算法

Key words： wireless sensor network node；node location technology；node location algorithm

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0192-02

0 引言

随着社会大环境的不断发展，各项技术的不断完善，无线传感器网络被逐渐应用到各行各业。在传感器网络中，位置信息对于传感器网络监测至关重要，可以说节点位置信息决定了整个网络的信息传递。一般情况下，大量的传感器节点被随机地、无序地分布在特定区域，每个节点的位置信息是不确定的[1]。在实际应用过程中，如何实现低成本、低功耗和较高精度的节点定位是无线传感器网络系统的研究重点之一。

1 定位技术介绍

位置信息是传感器节点数据采集最重要的组成部分，只有采集到了位置信息，传感器节点的数据采集才是有意义的，只有这样才能起到信息监控的作用。然而在无线传感器网络中节点是随机布置，位置信息是提前并不被知道的，节点自身的位置就需要在布置节点工作完成后由节点自主的给出来[2]。

1.1 基本术语介绍

节点被分为信标节点（beacon node）和未知节点（unknown node），其划分依据是在传感器网络定位期间，节点是否了解自己的位置决定的。知道自己位置信息的是信标节点，这类节点的位置信息通常提前被知道，比如由GPS（global position system）定位系统提前知道。不知道自己位置信息的那部分节点是未知节点，这些节点通常被随机布置在传感器网络中，通常用随机发现的方式加入网络。传感器网络定位技术作为一种定位技术，其原理就是利用已知的少数位置信息的信标节点确定未知的多数节点位置。方法是采用信标节点的信息来测量各个节点信息，以此估计测量节点之间的距离。此外，获取节点位置信息的方式还包括测量节点的信息等，从而确定位置节点的位置信息。

跳数（hop count）：通信时，两节点相互之间间隔的跳段总数。

邻居节点（neighbor node）：通常相互之间通信的节点，每个节点相互之间即为相邻节点。

到达时间（time of arrival，TOA）：两两节点通信时所需时长。

到达角度（angle of Arrial，AOA）：节点接收信号时轴线与所接收到的信号方向间的夹角角度。

接收信号强度（received signal strength indicator，RSSI）：某个节点到另一个节点传送数据，接收所用的信号强度大小。

1.2 节点位置的计算方法

1.2.1 三边测量法

思想是计算未知节点的位置信息，主要根据已知信标节点的坐标。A、B、C三个信标节点已知，他们距离未知节点D的距离为da、db和dc。三个圆交汇于一点，三个圆的圆心是信标节点，半径选为信标节点到未知节点的距离，这一点就是未知节点的位置。

1.2.2 极大似然估计法

假设有3个或者以上各信标节点1，2，…n包围住未知节点U。信标节点的坐标位置为（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn）。d1，d2，…，dn為信标节点到未知节点的距离。设（x，y）为未知节点坐标。那么各信标节点到未知节点的距离可列写n元方程组，对方程组进行重新排列可得到AX=b的方程组，并解这个方程组，方法是使用最小二乘法。未知节点的估计坐标（x，y）就可以被估计出来。

1.3 定位技术分类

在传感器网络定位技术中，定位算法在采用不同的分类方式时可以被分类。根据是否知道测量节点间的距离，可将定位算法分为两类，分别是基于距离和与距离无关。

基于距离的算法，可用三个步骤来描述：测量位置节点到邻居节点的距离或角度，计算未知节点到已知信标节点的距离或方位这是其一；利用三边测距法估算普通节点的初始位置，根据信标节点的坐标及其到信标节点的距离或角度信息，这是其二。最后，对普通节点的估算位置来迭代求精并采用相对的措施。

基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位，这四种方法常用于传感器网络定位过程。到达时间、到达角度和信号衰减这三种技术是通用的测量技术。到达时间TOA和到达时间差TDOA用来表示到达时间。接收信号方向对于节点自身轴线的角度就是到达角度AOA。已知发射节点的发射信号强度，接收点根据收到信号强度用于估算发送该信号的节点距离，这就是基于RSSI的定位算法。endprint

质心算法、DV-hop算法、APIT算法、Amorphous算法是经典的无需测距的定位算法。对高密度的信标节点具有依赖的是质心算法和APIT算法。依靠泛洪式路由，由确定未知节点到信标节点的跳数信息来计算距离的算法是DV-hop算法和Amorphous算法。

2 典型的定位算法

2.1 质心定位算法 传感器节点接收到相邻的信标节点按一定周期发送来信标信号。信标节点的ID及其位置信息包含在此信标信号中。信标节点数目在未知节点周围是不一定的，因此，未知节点接收到的信标节点数目并不固定，由未知节点所接收到的信标节点总数目是一门限，若该门限超过某一有限k，一段时间后，可将此未知节点当成是这些信标节点组成多边形的质心。

2.2 DV-hop算法 未知节点第一步先计算与信标节点的最小跳数，第二步估算平均每跳的距离，并采用平均每跳距离乘以最小跳数的方法，估算出未知节点与信标节点间的距离，第三步是利用三边测距法或极大似然估计法计算未知节点的坐标，在距离向量-跳段DV-hop（distance vector-hop）定位算法中。

2.3 DV-distance算法 与DV-hop相似，DV-distance算法也是采用平均每跳距离的方式计算实际距离。但两者之间也存在明显区别，后者是利用RSSI来测量相邻节点间的距离。

3 定位算法的评价标准

节点定位算法的种类有很多，经多年研究发现制定了标准，用于检测衡量定位算法是否合格。它们是定位的精确性、节点的密度、锚节点密度、算法的代价、算法具有容错性和节点覆盖率。

4 结束语

本文首先介绍了定位技术的相关术语，然后说明了常用的定位算法，并分析了其评价标准。当前关于定位算法種类繁多，包括DV-hop算法、质心定位算法、DV-distance算法等，且每种算法都有其适用范围，可结合实际情况择优选用。

参考文献：

[1]孙利民.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005：3-5.

[2]张伟.面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究[D].浙江大学，2013.

[3]杨宁，田辉，张平，李立宏.无线传感器网络拓扑结构研究[J].无线电工程，2006（02）.endprint