無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位技術(shù)綜述

摘 要： 首先介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位技術(shù)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)、評價(jià)標準等基本概念及定位算法的分類(lèi)方法； 重點(diǎn)從基于測距和非測距兩個(gè)方面介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要定位方法， 并研究和分析若干新型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位方法， 主要包括基于移動(dòng)錨節點(diǎn)的定位算法、三維定位算法和智能定位算法。從實(shí)用性、應用環(huán)境、硬件條件、供能及安全隱私等方面出發(fā)總結當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位技術(shù)存在問(wèn)題并給出可行的解決方案后， 展望未來(lái)的研究前景與應用發(fā)展趨勢。

1 引 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在目標跟蹤、入侵監測及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應用前景。然而， 無(wú)論是在軍事偵察或地理環(huán)境監測， 還是交通路況監測或醫療衛生中對病人的跟蹤等應用場(chǎng)合， 很多獲取的監測信息需要附帶相應的位置信息， 否則， 這些數據就是不確切的，甚至有時(shí)候會(huì )失去采集的意義， 因此網(wǎng)絡(luò )中傳感器節點(diǎn)自身位置信息的獲取是大多數應用的基礎。首先， 傳感器節點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細說(shuō)明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”， 從而實(shí)現對外部目標的定位和跟蹤； 其次， 了解傳感器節點(diǎn)的位置分布狀況可以對提高網(wǎng)絡(luò )的路由效率提供幫助， 從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的負載均衡以及網(wǎng)絡(luò )拓撲的自動(dòng)配置， 改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋質(zhì)量。因此， 必須采取一定的機制或算法來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)的定位。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位最簡(jiǎn)單的方法是為每個(gè)節點(diǎn)裝載全球衛星定位系統（GPS） 接收器， 用以確定節點(diǎn)位置。但是， 由于經(jīng)濟因素、節點(diǎn)能量制約和GPS 對于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制， 導致方案的可行性較差。因此， 一般只有少量節點(diǎn)通過(guò)裝載GPS 或通過(guò)預先部署在特定位置的方式獲取自身坐標。另外， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)定位涉及很多方面的內容， 包括定位精度、網(wǎng)絡(luò )規模、錨節點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò )的容錯性和魯棒性以及功耗等， 如何平衡各種關(guān)系對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定位問(wèn)題非常具有挑戰性?？梢哉f(shuō)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)自身定位問(wèn)題在很大程度上決定著(zhù)其應用前景。因此， 研究節點(diǎn)定位問(wèn)題不僅必要， 而且具有很重要的現實(shí)意義。

2 WSN 定位技術(shù)基本概念

2.1 定位方法的相關(guān)術(shù)語(yǔ)

1） 錨節點(diǎn)（anchors）： 也稱(chēng)為信標節點(diǎn)、燈塔節點(diǎn)等， 可通過(guò)某種手段自主獲取自身位置的節點(diǎn)；

2） 普通節點(diǎn)（normal nodes）： 也稱(chēng)為未知節點(diǎn)或待定位節點(diǎn)， 預先不知道自身位置， 需使用錨節點(diǎn)的位置信息并運用一定的算法得到估計位置的節點(diǎn)；

3） 鄰居節點(diǎn)（neighbor nodes）： 傳感器節點(diǎn)通信半徑以?xún)鹊钠渌濣c(diǎn)；

4） 跳數（hop count）： 兩節點(diǎn)間的跳段總數；

5） 跳段距離（hop diSTance）： 兩節點(diǎn)之間的每一跳距離之和；

6） 連通度（cONnectivity）： 一個(gè)節點(diǎn)擁有的鄰居節點(diǎn)的數目；

7） 基礎設施（infrastructure）： 協(xié)助節點(diǎn)定位且已知自身位置的固定設備， 如衛星基站、GPS 等。

2.2 定位方法的性能評價(jià)標準

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位性能的評價(jià)標準主要分為7 種， 下面分別進(jìn)行介紹。

1） 定位精度。定位技術(shù)首要的評價(jià)指標就是定位精確度， 其又分為絕對精度和相對精度。絕對精度是測量的坐標與真實(shí)坐標的偏差， 一般用長(cháng)度計量單位表示。相對誤差一般用誤差值與節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)射程的比例表示， 定位誤差越小定位精確度越高。

2） 規模。不同的定位系統或算法也許可以在一棟樓房、一層建筑物或僅僅是一個(gè)房間內實(shí)現定位。

另外， 給定一定數量的基礎設施或一段時(shí)間， 一種技術(shù)可以定位多少目標也是一個(gè)重要的評價(jià)指標。

3） 錨節點(diǎn)密度。錨節點(diǎn)定位通常依賴(lài)人工部署或使用GPS 實(shí)現。人工部署錨節點(diǎn)的方式不僅受網(wǎng)絡(luò )部署環(huán)境的限制， 還嚴重制約了網(wǎng)絡(luò )和應用的可擴展性。而使用GPS 定位， 錨節點(diǎn)的費用會(huì )比普通節點(diǎn)高兩個(gè)數量級， 這意味著(zhù)即使僅有10%的節點(diǎn)是錨節點(diǎn)， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的價(jià)格也將增加10 倍， 另外， 定位精度隨錨節點(diǎn)密度的增加而提高的范圍有限， 當到達一定程度后不會(huì )再提高。因此， 錨節點(diǎn)密度也是評價(jià)定位系統和算法性能的重要指標之一。

4） 節點(diǎn)密度。節點(diǎn)密度通常以網(wǎng)絡(luò )的平均連通度來(lái)表示， 許多定位算法的精度受節點(diǎn)密度的影響。

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中， 節點(diǎn)密度增大不僅意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )部署費用的增加， 而且會(huì )因為節點(diǎn)間的通信沖突問(wèn)題帶來(lái)有限帶寬的阻塞。

5） 容錯性和自適應性。定位系統和算法都需要比較理想的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備。

而真實(shí)環(huán)境往往比較復雜， 且會(huì )出現節點(diǎn)失效或節點(diǎn)硬件受精度限制而造成距離或角度測量誤差過(guò)大等問(wèn)題， 此時(shí)， 物理地維護或替換節點(diǎn)或使用其他高精度的測量手段常常是困難或不可行的。因此， 定位系統和算法必須有很強的容錯性和自適應性， 能夠通過(guò)自動(dòng)調整或重構糾正錯誤， 對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行故障管理， 減小各種誤差的影響。

6） 功耗。功耗是對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計和實(shí)現影響最大的因素之一。由于傳感器節點(diǎn)的電池能量有限， 因此在保證定位精確度的前提下， 與功耗密切相關(guān)的定位所需的計算量、通信開(kāi)銷(xiāo)、存儲開(kāi)銷(xiāo)、時(shí)間復雜性是一組關(guān)鍵性指標。

7） 代價(jià)。定位系統或算法的代價(jià)可從不同的方面來(lái)評價(jià)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統的安裝時(shí)間、配置時(shí)間、定位所需時(shí)間； 空間代價(jià)包括一個(gè)定位系統或算法所需的基礎設施和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的數量、硬件尺寸等； 資金代價(jià)則包括實(shí)現一種定位系統或算法的基礎設施、節點(diǎn)設備的總費用。

上述7 個(gè)性能指標不僅是評價(jià)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身定位系統和算法的標準， 也是其設計和實(shí)現的優(yōu)化目標。為了實(shí)現這些目標的優(yōu)化， 有大量的研究工作需要完成。同時(shí)， 這些性能指標相互關(guān)聯(lián)， 必須根據應用的具體需求做出權衡以設計合適的定位技術(shù)。