無線傳感器網(wǎng)絡定位技術綜述

摘 要： 首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的相關術語、評價標準等基本概念及定位算法的分類方法； 重點從基于測距和非測距兩個方面介紹無線傳感器網(wǎng)絡的主要定位方法， 并研究和分析若干新型無線傳感器網(wǎng)絡定位方法， 主要包括基于移動錨節(jié)點的定位算法、三維定位算法和智能定位算法。從實用性、應用環(huán)境、硬件條件、供能及安全隱私等方面出發(fā)總結(jié)當前無線傳感器網(wǎng)絡定位技術存在問題并給出可行的解決方案后， 展望未來的研究前景與應用發(fā)展趨勢。

1 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡作為一種全新的信息獲取和處理技術在目標跟蹤、入侵監(jiān)測及一些定位相關領域有廣泛的應用前景。然而， 無論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測， 還是交通路況監(jiān)測或醫(yī)療衛(wèi)生中對病人的跟蹤等應用場合， 很多獲取的監(jiān)測信息需要附帶相應的位置信息， 否則， 這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時候會失去采集的意義， 因此網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點自身位置信息的獲取是大多數(shù)應用的基礎。首先， 傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”， 從而實現(xiàn)對外部目標的定位和跟蹤； 其次， 了解傳感器節(jié)點的位置分布狀況可以對提高網(wǎng)絡的路由效率提供幫助， 從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的負載均衡以及網(wǎng)絡拓撲的自動配置， 改善整個網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量。因此， 必須采取一定的機制或算法來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點的定位。

無線傳感器網(wǎng)絡定位最簡單的方法是為每個節(jié)點裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS） 接收器， 用以確定節(jié)點位置。但是， 由于經(jīng)濟因素、節(jié)點能量制約和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(jié)點通過裝載GPS 或通過預先部署在特定位置的方式獲取自身坐標。另外， 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位涉及很多方面的內(nèi)容， 包括定位精度、網(wǎng)絡規(guī)模、錨節(jié)點密度、網(wǎng)絡的容錯性和魯棒性以及功耗等， 如何平衡各種關系對于無線傳感器網(wǎng)絡的定位問題非常具有挑戰(zhàn)性。可以說無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位問題在很大程度上決定著其應用前景。因此， 研究節(jié)點定位問題不僅必要， 而且具有很重要的現(xiàn)實意義。

2 WSN 定位技術基本概念

2.1 定位方法的相關術語

1） 錨節(jié)點（anchors）： 也稱為信標節(jié)點、燈塔節(jié)點等， 可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點；

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

3） 鄰居節(jié)點（neighbor nodes）： 傳感器節(jié)點通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點；

4） 跳數(shù)（hop count）： 兩節(jié)點間的跳段總數(shù)；

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

6） 連通度（cONnectivity）： 一個節(jié)點擁有的鄰居節(jié)點的數(shù)目；

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

2.2 定位方法的性能評價標準

無線傳感器網(wǎng)絡定位性能的評價標準主要分為7 種， 下面分別進行介紹。

1） 定位精度。定位技術首要的評價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坐標的偏差， 一般用長度計量單位表示。相對誤差一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例表示， 定位誤差越小定位精確度越高。

2） 規(guī)模。不同的定位系統(tǒng)或算法也許可以在一棟樓房、一層建筑物或僅僅是一個房間內(nèi)實現(xiàn)定位。

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

3） 錨節(jié)點密度。錨節(jié)點定位通常依賴人工部署或使用GPS 實現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點的方式不僅受網(wǎng)絡部署環(huán)境的限制， 還嚴重制約了網(wǎng)絡和應用的可擴展性。而使用GPS 定位， 錨節(jié)點的費用會比普通節(jié)點高兩個數(shù)量級， 這意味著即使僅有10%的節(jié)點是錨節(jié)點， 整個網(wǎng)絡的價格也將增加10 倍， 另外， 定位精度隨錨節(jié)點密度的增加而提高的范圍有限， 當?shù)竭_一定程度后不會再提高。因此， 錨節(jié)點密度也是評價定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標之一。

4） 節(jié)點密度。節(jié)點密度通常以網(wǎng)絡的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響。

在無線傳感器網(wǎng)絡中， 節(jié)點密度增大不僅意味著網(wǎng)絡部署費用的增加， 而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。

5） 容錯性和自適應性。定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡節(jié)點設備。

而真實環(huán)境往往比較復雜， 且會出現(xiàn)節(jié)點失效或節(jié)點硬件受精度限制而造成距離或角度測量誤差過大等問題， 此時， 物理地維護或替換節(jié)點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(tǒng)和算法必須有很強的容錯性和自適應性， 能夠通過自動調(diào)整或重構糾正錯誤， 對無線傳感器網(wǎng)絡進行故障管理， 減小各種誤差的影響。

6） 功耗。功耗是對無線傳感器網(wǎng)絡的設計和實現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點的電池能量有限， 因此在保證定位精確度的前提下， 與功耗密切相關的定位所需的計算量、通信開銷、存儲開銷、時間復雜性是一組關鍵性指標。

7） 代價。定位系統(tǒng)或算法的代價可從不同的方面來評價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間； 空間代價包括一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎設施和網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎設施、節(jié)點設備的總費用。

上述7 個性能指標不僅是評價無線傳感器網(wǎng)絡自身定位系統(tǒng)和算法的標準， 也是其設計和實現(xiàn)的優(yōu)化目標。為了實現(xiàn)這些目標的優(yōu)化， 有大量的研究工作需要完成。同時， 這些性能指標相互關聯(lián)， 必須根據(jù)應用的具體需求做出權衡以設計合適的定位技術。