无线传感器网络非视距定位技术

刘永奎，陈俊波

秦皇岛职业技术学院信息工程系，河北 秦皇岛 066100

1 无线传感器网络的作用

计算机、通信、自动控制、微电子机械系统和人工智能等学科的飞速发展，使无线传感器网络应运而生，成为目前众多领域中的研究热点之一。无线传感器网络对现代人类生活产生了极大的影响。如今，因特网为人们提供了快捷的通信平台，人与人之间沟通交流的方式有了很大改变。无线传感器网络的出现引起各国工业界和学术界以及军事部门的极大关注， 这种无基础设施的无线网络的节点通过无线通信形成多跳的自组织网络系统，具有通信和计算能力的微型传感器布置在监测区域内大量，并且非常廉价。对在网络覆盖区域中各种环境或感知对象信息进行协作地感知、采集和处理。优点是具有快速部署、自组、廉价、低功耗、可扩展性强以及能在恶劣和特殊的环境下正常工作等，在工农业控制、城市管理、环境监测、国防军事、生物医疗、危险区域远程控制、反恐救灾等众多领域具有极为广阔的应用前景。

节点定位问题是传感器网络应用的基础，近几年对节点定位问题的研究也很广泛。节点定位技术是无线传感网络的一个主要支撑技术，无线传感器网络在计算机软硬件所组成计算世界与实际物理世界之间建立了更为密切的联系，极大地提高了信息的真实程度。例如，在入侵检测、目标跟踪、环境监控等应用中，在什么位置或区域发生了特定事件是用户最关心的问题。实现对外部目标的定位、跟踪等是通过传感器网络节点位置有效地说明被检测物体的位置。在网络层，可以设计基于节点位置信息的路由算法，提高路由效率，减少路由发现等开销，实现网络的负载均衡；在应用层，系统可以智能地根据节点位置，选择一些特定的节点来完成任务，提高系统的存活时间，降低整个系统的能耗。

由于传感器网络规模比较大，通常随机部署在人类无法或不宜接近的区域，不需要干预，多用于较为恶劣的环境，如火山口附近。由于节点受到体积、重量以及制造成本等条件限制，单个节点不易得到补充，并且所能承载的能量非常有限。所以，在部署时不可能人工确定节点位置，若在每个节点上都装备GPS定位系统，却因其造价昂贵而不适合用于廉价的传感器网络节点，针对无线传感器网络的特点，必须设计独特的节点定位机制和算法。

2 无线传感器网络

传感器将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值，是数据采集、信息处理的关键部件，它使人们对物理世界形成量化认识。随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术已经向着智能化、网络化、微型化、集成化的方向发展。

无线传感器网络是由具有通信与计算能力的、大量无处不在的微小传感器节点，在无人职守的监控区域密集部署，构成的根据环境能够自主完成指定任务的智能测控网络系统无线传感器网络其发展可划分为4个阶段。第一代传感器网络是具有简单点到点信号传输功能的传统传感器。随着相关学科的不断发展和进步，通过与传感控制器的相联，第二代传感器网络组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，现场控制站间是采用数字化通信。第三代传感器网络是通过开放式的、全数字双向网络现场总线连接智能化的现场设备和控制室，它是基于现场总线的智能传感器网络，使得将多种传感器集成为一体，成本低廉，但测量精度低、覆盖范围小，通过低功耗的无线电通信技术连成网络才能发挥其整体的综合作用。第四代传感器网是无线传感器网络，多种无线通信技术的发展，如无线电、红外、声波等为微传感器间通信提供了多种选择，以IEEE802.15.4为代表的短距离无线电通信标准奠定了无线传感器网络坚实的基础。

无线传感器网络特点如下：

通信能力有限，无线传感器网络为多跳通信模式。随着距离的增加，通常情况下，节点的通信能耗将急剧增加。在满足网络连通度的情况下，应尽可能的减小单跳通信距离。

传感器节点电源能量有限，不能通过更换电池的方式补充能量。节点体积微小，通常电池供电十分有限，传感器分布区域广，节点个数多，网络部署环境复杂，电源能量值决定网络寿命，无线传感器网络的一个突出问题就是如何高效使用能量，使网络生命周期最大化。

计算和存储能力有限，传感器节点的功能比一般计算机弱。传感器网络节点要求必须满足功耗小、价格低，导致其携带的存储器容量比较小、处理器能力比较弱。

自组织网络。在传感器网络的应用中，传感器节点随机部署，节点之间的相互邻居关心不可预知。节点以自组织方式构成网络。与此同时，部分节点在通信过程中，会随时因为各种因素而失效，为了弥补失效节点，网络中的节点个数动态变化，拓扑结构也会随之一起变化，它要求传感器网络还要具有网络自动配制和管理功能。

大规模、高可靠性网络。节点的部署相当密集，为了保证能够完成任务，在目标区域通常部署大量传感器节点。节点可通过不同空间视角获得信息，通过分布式处理，大量采集的信息监测的精确度得到提高，减少监测盲区，除此之外，系统具有很强的抗毁性和容错性。

以数据为中心的网络，面向应用的网络。传感器网络是任务型网络，网络节点采用节点编号标识，但节点位置跟节点编号不存在必然联系。传感器网络具有非常广阔的应用领域，但只能针对具体的应用来研究传感器网络技术。

3 基于距离几何的非视距定位算法

无线传感器网络具有非常广阔的应用前景，无线传感器网络应用的前提是传感器节点能够自身定位。针对无线传感器网络的定位问题，国内外学者提出了许多定位算法。测距定位算法在较少锚节点的应用或要求较高定位精度或，非基于测距的定位算法需要大量的锚节点，定位精度不高。理论上，使用测距技术能提高定位精度，但节点间的距离测量容易受非视距传输、多径、多址干扰影响，是测距定位中误差的主要来源，从而损害定位精度。

在相互感知范围内节点间距离可以直接测量，不然需使用一些近似的方法估计距离值，由于测量躁声和NLOS误差的存在，距离测量值不精确，节点间存在的距离几何。其算法利用节点间的距离几何关系，构造距离误差优化约束函数，提高定位精度，能够有效地减少NLOS误差。在实际中，信号的非视距传播非常多，表现在信号延迟的增大、信号强度的衰落和到达角度的改变，导致定位误差。完全消除NLOS误差对定位精度的影响是不可能的，NLOS定位误差取决于物理传播环境，节点的距离测量值中就包含了NLOS误差和测量随机误差，但可能通过一些方法尽量减少它的危害。

非视距定位技术的分类：

NLOS传播模型定位法。其定位性能依赖于模型的准确程度。

NLOS鉴别和消除定位法。通常用于LOS传播路径和NLOS传播路径并存的情况。

约束优化定位法。经常用于没有任何关于NLOS误差先验知识的情况下。

指纹定位法。定位分为离线、定位两个阶段，适用于室内、园区空间有限应用环境。

针对NLos误差的定位算法大致分为两类：一类是建立在未知节点与锚节点及测量距离之间的几何关系基础上，称为几何法，;一类是称为非几何定位，它基于信号本身的统计特性或NLOS误差。

三边测量法是基于测距的定位算法中计算坐标的基本途径。常用的测距技术有TDOA AO ，RSSI和TOA。无线传感器网络节点定位在计算模式上可分为分布式和集中式。分布式定位是把定位过程分布到各个节点上，直接进行自身位置估计。分布式定位中每个节点能耗相对均匀，适用于大规模网络环境，网络的连通性得到保证。算法的可扩展性好；集中式定位从全局的角度出发，收集信息到中心节点统筹规划。其主要优点是普通节点计算负担小，可以获得相对精确的位置估计。但通信开销比较大，容易导致网络的不连通性，当部分节点能量失效时，需要进行新节点的补充，集中式定位算法需要重新收集节点信息，使得网络的拓扑结构发生变化，造成通信开销的浪费，可扩展性差。

无线传感器网络的节点定位按照节点定位的先后次序不同，又可分为递增式和并发式定位。递增式定位从锚节点附近的节点开始，各个节点依次向外延伸定位，它存在着误差累积的问题，并且随机抛洒的节点间拓扑结构不好控制，网络中节点定位覆盖率不高。并发式定位主要应用在小型的传感器网络中，所有节点要求参考节点具有较大的通信范围，同时进行位置计算，当网络规模比较大时，较多采用递增式定位方法。

总之，目前的定位算法仍需要较高的锚节点密度、存在定位精度不高、高通信负载和计算过于复杂等问题。为适用大规模无线传感器网络，节点的分布式定位算法具有较少的通信代价和计算代价，能有效利用多跳锚节点的位置信息。

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[2]于海斌，曾鹏，等.智能无线传感器网络.科学出版社，2006.

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