无线传感器节点定位算法的研究

[摘 要] 无线传感器网络的发展表现出巨大的应用价值,引起了国内外学术界争相研究。本文针对无线传感器网络定位技术进行探讨，定位算法分为基于距离和不基于距离两类，常用坐标定位方法有三角、三边、多边。

[关键词] 无线传感器网络 定位算法 测距 误差

一、无线传感器网络概述

在现代社会中，传感器已经成为连接自然世界与电子世界的主要媒介。通过传感器之间的相互协作与通信完成更为广泛与精密的监测任务，并且把监测的数据以及部分处理的结果通过网络传输给相应的用户，完成更为复杂的计算、分析以及处理。无线传感器网络具有无需固定设备支撑，可以快速部署，同时易于组网、不受有线网络的限制等特征。通过部署传感器网络节点至所需管理的目标区域，无线传感器组建全新网络将改变我们与现实世界的交互方法。从环境检测、目标追踪、军事应用到空间探索，无线传感器网络的发展超越我们的想象力，为人类社会发展提供更广阔空间。无线传感器的网络结构如图1所示。

图1无线传感器网络体系结构

对于大部分的无线传感器网络应用，如果没有得知传感节点具体坐标位置那么所感知的数据将是没有意义的[1]。传感器节点只有明确坐标位置具体展现“在什么位置或区域发生了特定事件”，才能实现对区域内目标物的定位和追踪。通过获得的节点位置信息可以优化无线传感器网络，进而提高网络管理人员在各个方面的应用，比如优化网络路由、基于坐标信息查询、优化通讯、处理闭拥塞、处理联合讯号、拓展网络覆盖率等。

二、定位算法分类

无线传感器网络节点定位是指利用无线传感器网络现有锚节点的物理位置信息，采用合理算法和定位方法对待定位节点进行定位估计。现阶段对无线传感器网络节点定位技术的研究主要集中在以下两方面:（1）误差分析:分析传感网络定位的误差特征;（2）算法精度:设计具有足够精度的定位算法，研究根据不同的应用要求来设计对应的精度定位算法。

目前国内外就定位算法的研究根据定位方法主要可以分成两大类：非测距的定位法和基于测距的定位法。非测距定位法依靠网络连通性、跳数等信息进行定位；基于测距算法根据测量与信标节点间的实际距离或角度来计算待测节点的位置。非测距的定位技术有质心法、DV-Hop、凸规划、Amorphous、APIT和MDS-MAP。基于测距定位的测距技术有RSSI、TOA、TDOA和AOA等。

采用基于距离的定位算法，仅仅依靠无线传感器节点自身设备（测距、测角度），无须另外添加设备。考虑基于距离的定位算法依靠无线传感器发射装置来测距，受到环境因素影响比较明显，节点的定位精度会出现200%的误差。为了提高节点定位的精度，在实际操作上是通过冗余测量、循环定位方法来减小测距误差对定位的影响。基于距离虽然有着能耗高、成本高、部署量大、计算量大和通信量大等缺陷，但定位精度远远超出非测距算法。随着物理设备的研发进展，精确、能耗低的节点设备逐步问世，各类管理系统对定位精度也提出更高需求，基于距离的定位算法受到科研人员更高的重视。

三、坐标定位方法

对于基于测距的定位技术来说，提高无线传感器网络节点定位精度的有效途径是提高测距(测角)准确度和优化的拓扑结构。但是受到节点代价、复杂度、能量及体积等各种因素的限制，仅仅通过提高节点测距(测角)精度是有困难的。在定位过程中，待测节点在获得邻居锚节点之间的相对角度和距离后，通过算法优化进一步提高精确度，优化的网络拓扑结构，估算待测节点的坐标信息。典型的定位方法有三边测量法、三角测量法和多边测量法。

四、定位算法特征

无线传感器网络在部署时，网络节点一般都是随机的，随后通过管理节点发挥随机节点自身的测距功能。定位算法利用锚节点位置信息估算未知节点位置信息、提高定位效率是目前研究方向。无线传感器网络节点定位算法具备以下特征:

(1)自组织能力:依靠节点设备自身功能,网络节点随机部署。

(2)鲁棒性:节点的硬件配置低、可靠性差、 能量少，要能容忍单个节点的失效和物理测量误差，并且系统能快速适应网络的拓扑变化，提高连通度。

(3)资源节省:通信距离短、存储量小、计算开销小、时间复杂性低，网络生存周期长。

(4)分布式计算：普通节点不必集中处理所有节点所传送来的信息。

五、定位算法性能评价标准

无线传感器网络节点定位算法常用的性能评价标准:

（1）节点定位相对误差:

（1）

是单点定位相对误差, 是待定位节点的估计位置，是待定位节点的真实位置，D表示最大的两节点间通信距离。

（2）总平均相对误差:

（2）

其中n和m分别为网络中节点总数量和参考节点数量， 表示第i个待定位节点的真实位置，表示第i个待定位节点的估计位置, D表示最大的两节点间通信距离。

（3）锚节点密度:锚节点占总节点数量的比例。定位锚节点的费用比普通节点费用高两个数量级，如果增加10%的锚节点，那么整个网络代价也相应增加10倍。

（4）节点密度和网络平均连通度: 节点密度大意味着系统费用高。节点间的产生通信干扰也会堵塞现有的带宽。网络平均连通度是节点的邻居节点数目的平均值，反映了传感器节点密集程度。

（5）代价：算法的代价评价是从指时间代价、空间代价和资金代价这三个方面。时间代价：所有系统设备安装时间、配置时间、节点定位时间；空间代价：基础设施和网络节点的数量，硬件尺寸等；资金代价：基础设施及节点设备总费用。

六、结论

无线传感器网络具有可以快速部署、无需固定设备支撑，易于组网、不受原有有线网络约束等特点，使其非常便于部署在难以使用有线通信机制的恶劣环境，例如一些具有危险性高的工业环境内如核电站、矿山等，可以通过它来开展实时高效的安全监测工作；无线传感器可以避免给周围环境带来的污染或破坏，可以被应用于大气、水资源等环境检测；无线传感器网络可以高效地进行异构传感网络互联，实时数据处理和信息融合，现被广泛地应用到城市交通、安全监控、公众活动等社会服务的各个领域，无线传感器网络作为人类信息采集能力的延伸提供有效支撑。在无线传感器网络技术研究领域，节点定位技术是无线传感器网络应用是最基础和最重要的技术。

参考文献：

[1] Asis NasPuiri，Kai Li，A Directionality based location Discovery Scheme of Wire1ess Sensor Networks.WSNA’02，Pages105-111，September28，2002.

[2] J.Li,J.Jannotti，D.S.J.DeCouto，D.R.Karger,and R.Morris.“A scalable location .service for geographic ad-hoc routing.” In proceedings of ACM MOBICOM, August 2000.

[3] J.Heidemann. Using geospatial information in sensor network. In ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking(MOBICOM),August 2000.

[4] 唐宏,谢静,鲁玉芳,唐伦.无线传感器网络原理及应用.北京：人民邮电出版社,2010.

[5] 孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络.北京:清华大学出版社.2005.

作者简介：

胡博，（1980-），男，南京特殊教育职业技术学院，讲师，河海大学研究生。