无线传感器网络定位算法综述

王陆敏

摘要：节点定位是无线传感器网络的重要技术之一。在定位过程中，锚节点的比例，节点的通信半径等自然环境因素都会对定位精度造成影响。针对这些问题，对未知节点计算方法以及定位算法进行改进，改进后的算法在定位精度与算法性能上都有了一定的提高。文章详细介绍了基于测距与非测距改进的多种定位算法，并进行分析。

关键词：无线传感器网络;节点定位;定位精度;定位算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1006-8228（2020）07-01-03

0引言

随着信息技术、智能通信和物联网的飞速发展，基于位置的服务受到越来越多的关注，由于智能手机的普及以及定位技术在工业生产和人们日常生活中的广泛应用，也在逐渐改变我们的生活方式。无线传感器网络是由一定数量的具有感知能力和无线通信能力、协同操作的传感器节点组成，这些节点在目标地点进行部署和监测，从而完成对目标的感知、环境的监测等任务。无线传感器网络在入侵检和跟踪，环境监测，室内监控，流量分析等领域有着广泛的应用。基于传感器节点进行自定位是无线传感器网络的重要技术，在定位算法中，定位精度是衡量定位算法的一个重要标准，为了更准确的提供位置信息，需对现有定位算法采取合适的策略，减小锚节点与未知节点之间的距离误差，从而提高定位算法的精度。

1无线传感器网络

1.1无线传感器网络架构

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）简称WSN作为一种通过无线通信方式形成的多跳自组织网络系统，主要包括传感器、感知对象和观察者三个要素，综合各种技术来实现对网络覆盖区域内感知目标对象信息的监测、感知、采集以及传播处理。节点之间相互协调与通信以实现目标任务，在入侵检测和跟踪、环境监测、室内监控、流量分析等方面有广泛的应用场景，为了支撑这些应用，需要对传感器节点的位置进行精确定位。

1.2无线传感器网络特点

传感器节点通过人工随机部署的方式分布在监测区域，由于成本等因素，监测区域内的锚节点数量是有限的，节点通过自组织的方式形成网络。传感器节点由电池提供电量，节点的处理能力、通信能力、存储能力比较弱，因此对无线传感器网络的特点总结如下嘲。

（1）网络节点数目多，分布密度大，范围广

无线传感器网络通常由成千上万个节点组成，传感器节点通过随机部署在监测区域内，节点之间的进行通信并传输数据到用户端从而实现对区域的监测工作。在环境监测中传感器节点往往部署在人类无法到达的区域，随着节点能量的耗尽以及动物破坏等自然因素导致节点能量耗尽或死亡，在这种情况下很难对网络进行有效维护。

（2）网络节点计算资源有限

由于传感器节点通常被大规模密集部署在检测区域内，节点自身的体积很小，节点的数量也很大，其自身的成本造价也很低，因为体积微小与成本造价等因素，传感器节点在节点之间计算的能力上有限，在存储空间以及单元能力计算上比一般的处理器弱。

（3）网络节点能量有限

传感器节点的能量来源主要依靠的是节点本身所携带的电池，电池的能量是有限的，这也就决定了传感器节点自身能量受到很大的限制，由于传感器节点体积微小，我们在实现无线传感器网络应用的时候必须要考虑到这个问题。

（4）通信能力有限

由于传感器节点本身的能量有限，在节点之间进行通信的时候节点本身考虑到能耗这一因素，它们之间的通信速率也是很低的，由于节点之间的通信半径有限，信道不稳定等因素的影响，节点之间进行通信时信号强度也会受到一定的影响。

（5）网络动态性强，拓扑结构容易变化

随着传感器节点自身能量的耗尽，以及一些自然因素的影响，传感器节点会出现故障或者进入死亡状态，节点死亡之后就会退出其形成的传感器网络，在无线传感器网络中，网络拓扑结构会随着节点的死亡和节点的加入而随之变化，因此节点自组织所形成的无线傳感器网络也具有动态性。

1.3无线传感器网络技术

无线传感器网络作为一个新的研究领域，其应用将非常广泛，其应用将涉及很多关键技术，具体内容总结如下。

（1）硬件设计和嵌入式操作系统

如何利用现有的微电子、微机械和微通信等技术设计出体积小寿命长的节点成为传感器网络的关键技术之一。传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带的硬件资源非常有限，需要操作系统能够离效地使用其有限的存储和处理能力。

（2）网络协议

节点的计算能力、存储能力、通信能力和携带的能量非常有限，传感器网络的拓扑结构经常动态变化，而且还要保证通信的安全、网络的文件以及数据的可靠，这些问题都对网络协议的设计提出了很高的要求。

（3）网络安全

网络安全保证传感器网络数据传输的安全性和任务执行的化密性，由于传感器节点的存储和处理能力非常有限，因此软件加密得到广泛关注。由于节点通常部署在较大空间内，且节点之间存在安全耦合，所以无线传感器网络容易受到各种恶意攻击，安全算法应尽量能够检测攻击并减少节点间的耦合性。

（4）定位技术

位置信息是传感器网络节点采集数据过程中不可缺少的部分，确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。根据无线传感器网络的自身特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效性和分布式计算等要求。

（5）数据融合

由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行融合，提高信息的精确度。数据融合技术可以与传感器网络的多个协议层进行结合，在传感器网络的设计中，必须面向应用需求，设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度地获益。但是数据融合技术也有一定的缺点，在节省能量、提高信息准确度的同时，需要以牺牲延迟性和鲁棒性的性能为代价。

2定位算法分析

定位技术是无线传感器网络中的关键技术之一。節点的自定位是实现目标定位的基础。目前的定位算法主要分为基于测距和基于非测距的定位算法，这两种定位方法都是通过定位算法计算采集到的锚节点信息，从而达到定位目的。针对定位算法中存在的定位误差问题，国内、外学者做了大量分析研究，在原有定位算法的基础上提出了很多创新算法思想，并进行了改进，这对我们的研究有着很大的参考价值。

（1）基于测距定位算法的改进

核心思想是针对信号传播过程中出现的误差进行修正补偿。程龙提出了基于TDOA的室内NLOS定位方法，首先通过联合信号接收信号强度模型和到达时间差模型，利用序贯概率比检验法确定当前信号是否收到非视距污染，在确定信号传播环境的基础上采用基于粒子群优化的定位算法实现对NLOS误差的削弱。魏连锁，蔡绍斌等提出了一种基于改机虚拟力模型的无线传感器网络锚节点移动策略，将未知节点的邻居节点数量及其到邻居节点的距离作为自身的密集权重属性，利用未知节点的密集度作为权值来改进传统的虚拟力模型，从而降低误差。周艳，李海成通过对定位过程中产生的距离误差区域进行分析，提出了基于RSSI新的空间定位算法ERSS，在定位精度和响应时间上有明显的改进。Go，Seungryeol等提出了一种基于TOA改进的无线传感器网络基站选择定位算法，采用BS选择方案，该方案选择三个测量距离，其中包含相对较少的NLOS误差，并进行性能评估。

（2）基于非测距定位算法的改进

核心思想是针对锚节点与未知节点之间的跳距进行修正，锚节点与未知节点之间的距离计算方法进行改进，从而降低定位误差。Cheng w等㈣提出了一种基于APIT的改进算法，首先将定位的未知节点转换成新的锚节点，参与下次定位，同时提出了两个锚节点的定位方法和区域估计方法。韩彪等针对APIT定位算法中锚节点稀疏导致定位精度低的问题，提出了一种基于锚节点和未知节点的影响因子和质心算法。Shen s等在信标节点距未知节点的距离要小于预设的跳数计数阈值，采用二维双曲线函数代替最小二乘法确定未知节点的位置，在节点分布均匀和不均匀情况下定位精度都得到了提高。Wen-Yuan L等在DV-Hop定位算法的基础上，通过加权处理对平均跳距进行细化，有选择的将信标节点参与三角剖分，克服了信标节点与未知节点之间平均跳距的估计等缺点造成的定位误差。

3结束语

本文对无线传感器网络的架构、特点及技术作了详细介绍，结合国内外参考文献中针对两类定位算法存在的定位误差及改进算法进行了分析与总结。本文所提算法在仿真实验中大部分是基于matlab进行，改进后的算法在定位精度与算法性能方面都得到了提高。但是文献中大部分算法都是基于二维空间环境进行，在三维空间中当节点移动或网络拓扑结构发生变化时如何提高算法定位精度是我们未来研究的重点。