基于数据融合的无线传感网定位技术研究

赵建光

（河北建筑工程学院，河北 张家口075000）

0 引 言

位置信息是重要的环境参数，在传感网的应用领域中，不仅要感知采集周边环境的温度、湿度、光照度、速度等物理参数，而且需要感知采集节点的地理位置参数，如经度、纬度、高度，因此位置信息成为感知参数中的比较重要的参数.无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息.定位技术是无线传感网的重要支撑技术之一，因此，开展定位技术的研究非常有必要.

1 定位技术分类

定位技术分为很多类，最常用的是卫星定位，如中国自主研发的导航系统BDS（BeiDou Navigation Satellite System）北斗卫星导航系统、GPS（Global Positioning System）全球定位系统.传感网工作环境比较恶劣，经常需要散布大规模的节点，节点数量庞大，经常采用空投的方式布置节点，如果每个节点都配备BDS或GPS来定位，成本太高，因此，经常为少数节点配置BDS或GPS模块，以实现定位，其它节点通过这些节点实现间接定位.

根据不同的分类依据，无线传感器网络的定位技术可以进行如下分类：

（1）根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需要测距的定位；

（2）根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定位；

（3）根据信息收集的方式，网络收集传感器数据称为被动定位，节点主动发出信息，用于定位称为主动定位.

2 定位技术常用术语

定位技术常用术语有：锚点、测距、连接度、邻居节点、跳数、基础设施、到达时间、到达时间差（TDoA）、接收信号强度指示（RSSI）、到达角度（Angle of Arrival，AoA）、视线关系（Line of Sight，LoS）、非视线关系等.

（1）锚点：传感网络中坐标已知的节点，坐标通常通过卫星定位获得.

（2）测距：测距节点与已知节点即锚点之间的距离.

（3）连接度：节点可通信的最大节点数.

（4）邻居节点：相邻的节点.

（5）跳数：从一个节点到达另一个节点所经历的路径数，与路由中跳数的概念类似.

（6）基础设施：网络运行所需的基础设施.

（7）到达时间：通信信号从一个节点到达另一个节点的时间.

（8）到达时间差（TDoA）：通信信号从开始发射到接受所经历的时间差.

（9）接收信号强度指示（RSSI）：节点通过判断接收到的无线信号的强度测定源节点与目的节点之间的距离，进而根据相应数据进行定位.

（10）到达角度（Angle of Arrival，AoA）：节点中多个接收机接受无线信号时，接收机的接受角度.

（11）视线关系（Line of Sight，LoS）：如果两个节点可以直接通信，即两个节点再彼此的通信范围之内，称这两个节点存在视线关系.

（12）非视线关系：两个节点不在彼此的通信范围之内，称这两个节点存在非视线关系.

3 无线传感网常用测距方法

在已知点坐标的基础上，通过测量距离，利用解析几何的计算方法可求的未知节点坐标.测距成为确定未知节点位置的重要环节，基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置.常用的测距方法有RSSI测距和到达时间差测距.

（1）接收信号强度指示（RSSI）测距

无线信号接收强度指示与信号传播距离之间存在一定的数量关系，关系曲线如图1所示：

图1 RSSI与距离之间的关系曲线

从图中可以看出，随着传播距离的增大，无线信号强度逐渐减弱，近似满足对数曲线.可根据RSSI的值求得两个节点之间的距离值.

（2）到达时间差测距

这类方法通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好.ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离.测距原理图如图2所示.

图2 基于时间差的测距原理图

4 基于测距的定位方法

在以上两种测方法的基础上，可采用的定位技术有多边定位及Min－Max定位方法.本文主要介绍并改进多边定位技术.

（1）多边定位法

基于距离测量（如RSSI、ToA／TDoA）的结果，再利用锚点的坐标即可确定未知节点的坐标实现定位，该方法称为多变定位.至少具有三个节点至锚点的距离值，确定三维坐标，则需四个此类测距值.求解方程如下：

Ax＝b，

其中：

（2）多边定位法的利弊及改进

在无线传感网中，节点的能量通常由2节干电池供电，能量有限，采用以上的计算方法精度高，但耗费了大量的能量，缩短了节点寿命.在无线传感网的应用中往往不需要如此高的精度，只需近似的位置坐标即可，针对这种情况，可采用现将多点坐标进行数据的融合，融合至最小工作集坐标数，再进行求解，可大大降低能耗，延长网络寿命.

5 结 论

本文设计实现了基于数据融合的多变定位方法，采用将多点坐标进行数据融合，融合至最小工作集坐标数，再进行求解，经试验，可大大降低能耗，延长网络寿命.

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