無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位研究

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1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自定位研究　　摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的研究中，節(jié)點(diǎn)自定位是其中關(guān)鍵問題之一。本文圍繞WSN節(jié)點(diǎn)的定位，著重描述了節(jié)點(diǎn)的測距方法以及節(jié)點(diǎn)自定位方法的分類，同時還綜述了兩種典型的分布式節(jié)點(diǎn)自定位算法及其原理。最后本文在對WSN自定位研究的基礎(chǔ)上，指出了未來研究的熱點(diǎn)和方向。關(guān)鍵詞：WSN；自定位；算法中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是21世紀(jì)熱點(diǎn)技術(shù)。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，WSN通過節(jié)點(diǎn)間相互通信，可以監(jiān)控環(huán)境、采集信息，并對信息進(jìn)行處理。WSN不僅在軍事上有廣泛的用途，而且在民用領(lǐng)域也發(fā)揮著具大作用。節(jié)點(diǎn)的位置信息對W

2、SN網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，因此，節(jié)點(diǎn)自定位是WSN研究的熱點(diǎn)。1典型測距方法5目前在WSN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的測距方法主要有RSSI、AOA、TOA、TDOA、TW-TOA和SDS-TW-TOA。RSSI測距方法通過計算信號在空氣中所損失的能量來換算出節(jié)點(diǎn)間的距離。該測距方法雖成本低，但易受環(huán)境影響，測距誤差可能高達(dá)50%。在AOA測距方法中，節(jié)點(diǎn)通過陣列天線或多模接收器獲取與其它節(jié)點(diǎn)的夾角和方位，再通過三角測量法計算得出未知節(jié)點(diǎn)的絕對坐標(biāo)。該測距方法硬件復(fù)雜度高，且需加大節(jié)點(diǎn)尺寸，因此對WSN網(wǎng)絡(luò)不是很適合。TOA和TDOA測距方法都是根據(jù)信號在空氣中傳播速度恒定，通過時間來計算出節(jié)點(diǎn)之間的距離。

3、不同的是，前者通過信號在兩節(jié)點(diǎn)間的傳輸時間計算距離，而后者是通過兩種不同速度的信號在兩節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臅r間差計算距離。這兩種方法對硬件要求高，無形中會增加WSN網(wǎng)絡(luò)的成本。TW-TOA和SDS-TW-TOA是科學(xué)家們近幾年提出的兩種新的WSN節(jié)點(diǎn)測距方法。這兩種測距方法原理相似，都是利用相鄰節(jié)點(diǎn)間一跳通信所需時間計算出節(jié)點(diǎn)間距離。這兩種方法測距精度高，且無需額外的硬件設(shè)備，非常適合WSN節(jié)點(diǎn)間測距。2定位算法分類2.1基于測距（range-based）和無須測距（range-free）的定位算法5基于range-based的定位算法需要通過前文提到過的相關(guān)測距技術(shù)獲取未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)的距離信息

4、，再利用三邊測量定位或最大似然估算法計算出未知節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。而基于range-free的定位算法只需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通度等信息，即可實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位。相對于range-free定位算法，range-based定位算法計算量和通信量都較大，在測距精度較高的情況下，其定位精度也更高。相反，基于range-free的定位算法，定位精度雖不高，但是計算簡單，功耗低，適合粗精度定位系統(tǒng)。2.2集中式定位和分布式定位集中式定位算法將所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計算集中到某個中心節(jié)點(diǎn)。與之相反，分布式定位算法通過節(jié)點(diǎn)間的信息交換，將未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)計算分布到各個節(jié)點(diǎn)上。前者從全局角度規(guī)劃，設(shè)計簡單明了，如果中心節(jié)點(diǎn)計算能力

5、強(qiáng)，則可以獲得相對精確地節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。但其有致命缺點(diǎn)。因?yàn)橹行墓?jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)可能由于通信量過大導(dǎo)致電量過低而過早死亡。而后者將坐標(biāo)計算分布到各個節(jié)點(diǎn)上，使得每個節(jié)點(diǎn)的能量都比較均衡，不會出現(xiàn)過早死亡的現(xiàn)象。2.3絕對定位和相對定位絕對定位以地球的經(jīng)緯度為參考，是標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)位置。相對定位是以網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)作為參照的相對坐標(biāo)系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)的位置變化對絕對定位影響較小，因此絕對定位應(yīng)用更廣泛。但相對定位不需要WSN網(wǎng)絡(luò)中部署錨節(jié)點(diǎn)，且部分路由協(xié)議（如GPSR）只需要相對坐標(biāo)信息。因此，對于這兩種定位方式的選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況而定。3典型的WSN自定位算法3.1DV-hop定位算法5在DV-

6、hop定位算法中，錨節(jié)點(diǎn)將自己位置信息作為數(shù)據(jù)包廣播發(fā)送給全網(wǎng)的其他節(jié)點(diǎn)。該信息包還包括跳數(shù)信息hop。跳數(shù)信息每通過一個節(jié)點(diǎn)就增加1。全網(wǎng)廣播之后，所有節(jié)點(diǎn)就可以獲得與錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)獲得與其他錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與跳距信息后，就計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳的距離，并將此距離信息廣播通知其他未知節(jié)點(diǎn)。未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)平均每跳距離信息計算出與錨節(jié)點(diǎn)的距離，即可算出自身的坐標(biāo)。3.2Euclidean定位算法Euclidean定位算法能夠使節(jié)點(diǎn)通過信息交換來計算相距2跳甚至多跳的節(jié)點(diǎn)距離，其原理如圖1所示。假設(shè)節(jié)點(diǎn)都有一跳測距能力。A與D超出一跳距離。A與B、C相鄰，且B、C與D相鄰，則四邊形ABCD四邊

7、已知，且對角線BC已知。則由余弦定理和三角形性質(zhì)可得AD的長度。未知節(jié)點(diǎn)通過此方式獲得3個或3個以上錨節(jié)點(diǎn)的距離，即算出自身的坐標(biāo)。4展望進(jìn)入21世紀(jì)第二個十年以來，WSN自定位算法的研究有了長足的進(jìn)展，但仍然有很多問題需要解決。例如目前大部分的定位算法都針對二維平面，對于三維的節(jié)點(diǎn)定位算法依然很少。針對目前WSN自定位算法的不足，我們認(rèn)為未來的研究熱點(diǎn)方向?yàn)椋海?）針對三維的節(jié)點(diǎn)定位算法；（2）針對大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署的自身