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

2) 基于信號到達角度的方法

AOA 測距技術(shù)依靠在節點(diǎn)上安裝天線(xiàn)陣列來(lái)獲得角度信息。由于大部分節點(diǎn)的天線(xiàn)都是全向的， 無(wú)法區分信號來(lái)自于哪個(gè)方向。因此該技術(shù)需要特殊的硬件設備如天線(xiàn)陣列或有向天線(xiàn)等來(lái)支持。

優(yōu)點(diǎn)： 能夠取得不錯的精度。

缺點(diǎn)： 傳感節點(diǎn)最耗能的部分就是通信模塊，所以裝有天線(xiàn)陣列的節點(diǎn)的耗能、尺寸以及價(jià)格都要超過(guò)普通的傳感節點(diǎn)， 與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低成本和低能耗的特性相違背， 所以實(shí)用性較差。

關(guān)于A(yíng)OA 定位的文獻比較少，最早提出在室內采集方向信息， 并以此實(shí)現定位的方法，它的硬件部分包括微控制器、RF 接收器、5 個(gè)排成“V”型的超聲波接收器， 其測量誤差精度為5°。隨后， 一些學(xué)者提出了在只有部分節點(diǎn)有定位能力的情況下確定所有節點(diǎn)的方向和位置信息的算法。

3) 基于接收信號強度的方法

RSSI 是在已知發(fā)射功率的前提下， 接收節點(diǎn)測量接收功率， 計算傳播損耗， 并使用信號傳播模型將損耗轉化為距離。

優(yōu)點(diǎn)： 低成本。每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)都具有通信模塊， 獲取RSSI 值十分容易， 無(wú)需額外硬件。

缺點(diǎn)： 1) 錨節點(diǎn)數量需求多。由于RSSI 值在實(shí)際應用中的規律性較差， 使得利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法在定位精度以及實(shí)用性上存在缺陷。所以為了達到較高的定位精度， 利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法通常需要較多數量的錨節點(diǎn)。2) 多路徑反射、非視線(xiàn)問(wèn)題等因素都會(huì )影響距離測量的精度。

早期的RSSI 距離測量方法有Hightower 等人設計的室內定位SpotON tags 系統， 通過(guò)RSSI 方法來(lái)估計兩點(diǎn)間的距離， 通過(guò)節點(diǎn)間的相互位置來(lái)進(jìn)行定位， 在邊長(cháng)3 m 的立方體內， 其定位精度在1 m 以?xún)?。目前?基于RSSI 值的距離測量方法可以分為2 種， 一種是需要預先測試環(huán)境信息的方法， 即在實(shí)驗開(kāi)始前， 對定位的區域進(jìn)行大量的RSSI 值測試，將不同點(diǎn)得到的RSSI 值保存到數據庫中， 建成場(chǎng)強圖或擬合曲線(xiàn)， 在實(shí)際測試時(shí)查詢(xún)和調用。另外一種是無(wú)需預先測試環(huán)境信息的方法， 直接在定位區域進(jìn)行節點(diǎn)布置和定位， 如雙曲線(xiàn)模型法，迭代的分布式算法， 結合露珠洪泛思想引入RSSI 機制的HCRL(hop-count-ratio based localization)算法等。

總體來(lái)說(shuō)， 需要預先測試環(huán)境參數的方法在實(shí)際定位中計算量小， 這類(lèi)方法只需要簡(jiǎn)單的查表或根據擬合曲線(xiàn)進(jìn)行計算， 其缺點(diǎn)是實(shí)驗前需要做大量的準備工作， 而且一旦環(huán)境改變則預先建立的模型將不再適用。無(wú)需預先測試環(huán)境參數的方法需要定位引擎的計算操作， 往往具有復雜的計算過(guò)程，但適應性較強。

以上幾種測距方法各有利弊， 以2009 年發(fā)表的基于測距法的文獻來(lái)看， 研究RSSI 方法的大約占了以上幾種方法總數的52%, TOA 方法25%, TDOA 方法13%和AOA 方法10%, 其比例圖如圖1 所示， 從實(shí)用性的角度來(lái)看， 基于RSSI 的定位方法更簡(jiǎn)便易行， 因此， 基于RSSI 測距方法的研究占基于測距算法研究總數的一半以上。

圖1 各類(lèi)方法研究比例圖

3.1.2 節點(diǎn)坐標計算方法

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)定位過(guò)程中， 當未知節點(diǎn)獲得與鄰近參考節點(diǎn)之間的距離或相對角度信息后， 通常使用以下原理計算自己的位置。

1) 三邊測量法是一種基于幾何計算的定位方法，如圖2 所示， 已知3 個(gè)節點(diǎn)A, B, C 的坐標以及3 點(diǎn)到未知節點(diǎn)的距離就可以估算出該未知點(diǎn)D 的坐標，同理也可以將這個(gè)結果推廣到三維的情況。

2) 三角測量法也是一種基于幾何計算的定位方法， 如圖3 所示， 已知3 個(gè)節點(diǎn)A, B, C 的坐標和未知節點(diǎn)D 與已知節點(diǎn)A, B, C 的角度， 每次計算2 個(gè)錨節點(diǎn)和未知節點(diǎn)組成的圓的圓心位置如已知點(diǎn)A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3 個(gè)圓心的坐標和半徑。最后利用三邊測量法， 根據求得的圓心坐標就能求出未知節點(diǎn)D 的位置。

圖2 三邊測量法原理示意圖

圖3 三角測量法原理示意圖