无线传感器网络定位技术研究

高书强 程章文

摘 要：无线传感器网络定位技术作为一种新型信息获取及处理技术，在一些领域中得到了广泛的应用。文章针对无线传感器网络定位技术的方法和相关算法进行分析，希望可以找出最准确的定位方式。

关键词：无线传感器；网络定位技术；测距算法

通过对传感器节点位置的研究可以分析出路由效率，进而保证网络负荷的平衡，实现网络拓扑的自动配置，从而提升网络覆盖的质量。可见，利用传感器网络定位技术实现对各个节点的准确定位对实际网络应用的重要意义。由于经济、节点能量和环境等因素的影响，在很多时候GPS无法发挥出应有的定位作用，此时就需要依靠无线传感器网络的定位技术来实现节点坐标定位。

1 WSN定位技术

1.1 定位方法

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）定位指的是针对未知网络节点的确定，主要是采用已知部分的锚节点，来测量未知节点和剩余节点的距离以及跳数，另外还可以对节点可能存在的区域范围进行估计，同时利用节点交换时所得出的锚节点位置，来确定每个节点的位置[1]。WSN定位技术的实际作用就是通过已知节点和位置，利用传观器将节点分成信标节点、锚点和未知节点，再根据已知部分的节点来确定节点可能的范围，实现对所有节点的定位。

1.2 定位方法的性能评价标准

1.2.1 定位精度

在对定位技术进行评估时，最主要的评价指标就是定位的精准度，就定位技术的精确度而言，可以细分为相对精度和绝对精度。相对精度通常以误差值和节点无线射程来表示，误差值越小则代表精度越好，反之则精度低，这是相对精度的确定依据。绝对精度指的是测量坐标和真实坐标之间存在的偏差，差异越小则绝对精度越高。

1.2.2 规模

规模指的是定位系统对区域空间定位的有效值，即定位系统可以满足一层建筑、一个房间或者整个楼房的定位，简单来说就是定位技术所能达到的有效范围。同时对特定的定位目标实现定位操作也是定位方法性能评估的一个关键因素。

1.2.3 锚节点密度

锚节点的定位一般是通过人工设置和GPS技术实现，但是采用人工设置锚节点时，在一定程度上会受到网络环境的限制，使得网络和应用性能无法得以扩展。而采用GPS定位技术时，所投入的成本费用相对较高，每设置一个锚节点就需要高于普通节点两倍的价格，定位准确性与锚点设置的数量具有直接联系，但当锚节点达到一定数值时准确度将不会发生变化，为此锚节点的设置密度也可作为评价系统中的关键环节。

1.2.4 节点密度

在实际定位技术中，节点密度与网络联通的度密切相关，在一些定位算法中，节点密度的变化将会对定位的精確度产生直接影响。而节点密度的增加会带来网络部署成本费用的增加，同时密度较大的节点在实际通信过程中也提升产生冲突的概率，致使带宽受阻，严重影响定位技术的应用效果，为此，将其作为定位方法性能评价系统中的关键内容。

1.2.5 容错性和自适应性

定位技术的方法和算法对网络通信环境和节点均具有较高的要求，如果网络通信环境不佳或者节点设备无法达到算法条件要求，就会对定位的准确性产生影响。而在实际应用定位技术的过程中可以发现，往往需要面临复杂的网络通信环境，节点失效或者节点精度不高也是较为常见的问题，这类问题会给定位的精确度带来严重影响。在面临这类问题时往往采用物理维护的方式对失效节点进行替换或是使用更加高端的手段进行定位测量，在实际开展的过程中遇到很多问题，缺乏一定的可行性。这就要求定位方法需要具备一定的容错性和自适应性，在遇到上述问题时，能够在系统内部完成调整，确保无线传感网络的稳定运行，保证定位的精准性。

1.2.6 功耗

无线传感器设计中功耗设计对其稳定运行和精准度均有一定程度的影响。因无线传感器中的电量有限，只有保证各项定位和计算功能的功率输出才能保证在电量耗尽之前完成定位操作。因此，在实际设计无线传感器的功能和规律时，需要对功能消耗问题作优先考虑，确保电池能源能够为所有功能提供充足的前提下，来完善无线传感器的功能结构。

1.2.7 代价

定位方法和算法的代价主要表现在定位所需时间、空间以及成本这3个方面。其中时间代价是指在完成一次系统安装所需的时间、配置功能所需的时间和定位所需的时间；空间代价是指定位方法和算法在应用的过程中所需的基础设施和节点数量、硬件所占据的空间；成本代价是指应用某个定位方法和算法时所需要的基础设施和节点设备投入的资金。

2 WSN定位方法

2.1 测距算法

2.1.1 距离测量方法

距离测量方法在时间上又可细分为信号传输时间方法和信号传输时间差的方法。其中新高传输时间方式是依靠到达时间（Time of Arrival，TOA）技术实现的，利用信号传输的时间来推断传播距离。采用TOA技术的时间算法又可以细分为单程测距和双程测距两种。单程测距指的是单次传输的信号，而双程测距指的是信号到达之后立即返回的信号。对于单程测距而言，需要将各个节点之间的时间进行同步，如时间同步出现误差会导致定位失准。而双程测距则不需要考虑节点间的时间差问题，但是对本地时间的准确度要求较高，一旦本地时间出错还是会给测距准确性带来严重影响。到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）测距技术在信号传输时间差方法中的应用是通过在各个节点安装超声波收发器和射频收发器，在实际测距时可以对发送的超声波和接收点之间的信号时间差来确定两点之间的距离。

利用信号到达角度实现测距的方法，所采用的是到达角度（Angle of Arrival，AOA）测距技术，该项技术需要在各个节点上安装天线列才能成功获取角度信息。而实际的网络通信环境设置中，节点的天线通常是全向的，如果不添加硬件设备和天线阵列，就很难确定信号到达的方向，为此，该项技术还需要特定的硬件设备和天线阵列作为支持。

2.1.2 节点坐标计算方法

使用无线传感器进行节点定位时，通过已知节点获取到未知节点和临近节点的距离信息和角度信息之后，可以采用以下几种坐标确定方法计算出最终的定位信息。

（1）三边测量法。该方法是利用几何的计算方式来获取定位信息的方法，在确定已知节点的坐标和距离之后，就可以绘制出未知节点D的坐标，采用同种计算方法可以推算出三维空间内的节点坐标[2]。

（2）三角测量法。该种测量方法同样是采用几何的计算原理。当存在3个已知节点时，可以利用已知节点的角度来确定锚节点，再由锚节点和未知节点确定出圆心的位置，此时由已知节点和未知节点共同组成3个圆，找出3个圆心的坐标和半径之后，利用三角测量计算原理，确定圆点坐标，即可计算得出最终的未知节点。

（3）极大似然估计法。已知n个点的坐标和它们到未知节点的距离，列出坐标与距离的n个方程式，从第1个方程开始，每个方程均减去最后一个方程，得到n-1个方程组成的线性方程组，最后用最小二乘估计法可以得到未知节点的坐标。

（4）极小极大定位算法。该种算法是通过对未知节点和锚节点距离的计算，确定锚节点和未知节点的距离之后，以未知节点为中心，锚节点与未知节点距离的2倍为边长，绘制出一个正方形，以此类推，利用全部錨节点绘制出的正方形重合部分的中心点即为未知节点的坐标。而采用此种方式所计算出的定位信息准确性与锚节点的密度息息相关，锚节点的密度越大则定位信息准确性越高。鉴于以上问题，有学者提出可以对锚节点的位置信息做出进一步精确判断，以更加细化的算法提升定位信息的准确率。

2.2 非测距算法

非测距算法和测距算法之间的主要区别在于测量对象和计算方法之间的差异，即非测距算法不是采取直接测量距离的方式，而利用网络通信信号来估算距离和坐标的方式。因非测距算法多种多样存在一定的不确定性，我们仅对其中的几个方法做出简要分析。

有人用低功耗的算法，它利用锚节点的连通性来确定坐标。未知节点坐标是通过计算无线电范围内所有节点的质心确定的。这种方法简单但是误差也较大。

也人提出了近似三角形内点测试（Approximate PIT Test，APIT）算法，目标节点任选3个相邻锚节点，使用不同锚节点组合重复测试直到穷尽，确定未知节点是否位于它们所组成的三角形中。最后计算包含目标节点的所有三角形的交集质心，并以这一点作为目标节点位置，该算法需要较高的锚节点密度，精确度40%左右。

3 新型WSN定位技术

3.1 移动锚节点定位算法

利用移动锚节点定位可以避免网络中多跳和远距离传输产生的定位误差，并且可以减少锚节点的数量，进而降低网络的成本[3]。如移动锚节点（Mobile Beacon Assisted Localization Scheme，MBAL）定位方法，锚节点在移动过程中随时更新自身的坐标，并广播位置信息。

3.2 智能定位算法

随着电子技术的发展和芯片计算能力的提高，传感器网络节点本身的性能也有提升，复杂算法也可以在网络中实现。对于无线传感器网络的户外三维定位，将锚节点固定在直升机上通过GPS实时感知自身位置，采用基于接收的信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）的测距方法，利用粒子滤波定位技术实现定位，该方法不需要任何关于未知节点的先验知识，非常适合应用于户外定位。

4 结语

由于近几年互联网络技术的快速发展，无线传感器网络定位技术的应用也越来越广泛，在实际应用的过程中可以发现，网络定位技术的准确性会受到很多因素的干扰。而无线传感器网络定位技术的应用也在很大程度上受到了定位准确性的限制不能快速推广应用。鉴于以上问题，本文对无线传感器网络定位技术的定位方法及评价标准进行分析，进一步探讨了测距算法和非测距算法的计算原理，最后对新型WSN定位的算法进行阐述，希望可以为提升传感器网络定位的准确性做出一些努力。

[参考文献]

[1]郭金铭.基于ZigBee的无线传感器网络定位技术研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[2]施进.基于三边测量法的无线传感器网络定位技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[3]周建存，王涛.基于弱测距的无线传感器网络定位技术研究[J].福建电脑，2016（10）：16-17.