无线传感器网络节点定位技术综述

刘洁琳 沈阳理工大学

无线传感器网络节点定位技术综述

刘洁琳 沈阳理工大学

无线传感器网络由大量的节点组成，已知这些节点的位置信息是对传感器网络进行监测和控制的前提。因此，定位技术在无线传感器网络中起着非常重要的作用。本文首先介绍了WSN节点定位技术的分类，其次简明介绍了节点定位技术的原理，最后分析了目前定位技术的不足之处以及未来可能的发展趋势。

无线传感器网络 节点定位 定位技术

1 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种自组织网络，它包含大量具有感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点。定位技术是WSN应用中的关键技术之一，是当前研究的热点。目前，根据不同的定位方法定位算法分为两大类：基于测距算法（range-based）和非测距算法（range-free）。基于测距的定位算法对系统的硬件有很高的要求，其主要利用超声波和无线电等信号计算出节点间的角度或信号强度等信息来计算节点间的距离，从而计算位置节点的位置坐标。现有的测距技术有RSSI、TDOA、TOA、AOA等。基于非测距的定位方法主要利用所有节点间的连通性和参考节点的坐标来计算未知节点坐标。现有的非测距技术有质心法、APIT、凸规划、Dv-Hop等。

2 节点定位技术

2.1 基于测距的定位方法

SI信号强度法（

Signal Strength Indication，RSSI）定位的原理是：在已知节点发送功率的前提下，对接收功率进行测量和记录，结合当前实际环境，选取适当的参数值，使用信号传播模型计算传播损耗并转换为距离值，从而得出节点间的距离。目前常用的无线信号传播模型有三种：自由空间传播模型、对数距离损耗模型和Shadowing模型。

（2）AOA到达角度法（Angle of Arrival，AOA）定位的原理是：首先未知节点向参考节点发射无线信号，根据参考节点上的天线测定的信号到达角度可以确定节点之间的夹角，最后利用几何解析式计算出未知节点的坐标。

（3）TOA到达时间法（Time of Arrival，TOA）定位的原理是：利用“速度—时间”距离公式，通过测量未知节点与至少3个参考节点之间的信号传播时间，并将传播时间乘以信号传播速度，最终得到未知节点与参考节点之间的距离。TOA要求未知节点和参考节点之间有很高精度的时钟同步。假设通过测量方式记录到未知节点O（x0,y0）与各参考节点A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x0,y0）之间信号传播时间分别为t1、t2、t3，设信号传播的速度为c，分别以A、B、C为圆心，ct1、ct2、ct3为半径作圆，各个圆的交点就是未知节点的坐标位置。

（4）TDOA到达时间差法（Time Difference of Arrival，TDOA）的定位通常由两种实现方法。一种是当未知节点接收到来自同一个参考节点发送的两种不同无线信号时，记录两种信号的到达时间，再根据两种信号不同的传播速度，利用距离公式计算出未知节点到参考节点间的距离。

另一种实现方式是未知节点O（x0,y0）同时向参考节点A（x1,y1）、B（x2,y2）、C（x3,y3）发送同一种信号，由于未知节点和两个参考节点之间的距离不同，所以信号达到参考节点的时间不同，已知信号传输的速度v和信号到达时间差△t，可以确定O在以参考节点为焦点、距离差为VX△t的双曲线上。通过测量至少三个参考节点之间的信号到达时间差△t就可以构成一组关于未知节点位置坐标的双曲线方程组，求解双曲线方程组就可以得到未知节点O的估计位置。

2.2 基于非测距的定位方法

（1）质心法

质心法是一种只涉及到网络连通度的定位算法。该算法的原理是：在传感器网络中筛选出能与未知节点通信的所有参考节点，以这些参考节点为顶点，构建一个多边形区域，此多边形的几何质心即为该未知节点的估计位置。

（2）APIT

APIT的原理是：将传感器网络内所有可以与未知节点通信的参考节点挑选出来，把这些节点以的方式组成若干个三角形，遍历所有参考节点，将最终确定区域的重心作为未知节点的坐标值。

（3）凸规划

凸规划算法的原理是：首先确保未知节点在三个参考节点的通信范围内，然后以参考节点为圆心、通信长度为半径分别作三个圆，其次对三个圆的重叠区域采用线性规划和半规划法可得出一个矩形，最终选取矩形的质心为此节点的位置。

（4）Dv-Hop

Dv-Hop算法的原理是：首先获取WSN中所有节点的平均一跳距离，用此距离与节点之间的跳数相乘，由此得到未知节点与参考节点之间的距离值，最后利用三角定位的方法计算未知节点的坐标信息。

3 总结

近年来，WSN定位技术取得了很大的成果，但仍有一些共性问题需要解决精度问题；能耗和成本问题；未知环境的定位问题等。WSN定位技术是当前热门研究领域，未来的研究可能需要：提出新的定位方法；使用新的无线介质以及多技术融合；对移动节点和三维空间的定位研究等。

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刘洁琳（1992—），女，汉族，河北石家庄市人，工学硕士，单位：沈阳理工大学信息科学与工程学院计算机应用技术专业，研究方向：系统监控与网络管理技术。