WSN基于測(cè)距的定位方法

1、目 錄一.WSN節(jié)點(diǎn)定位的意義二.主要的WSN定位方法三.國(guó)內(nèi)外基于測(cè)距的定位方法的研究四.新型WSN定位方法五.總結(jié)一.WSN節(jié)點(diǎn)定位的意義 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、入侵監(jiān)測(cè)及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說(shuō)明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和跟蹤; 了解傳感器節(jié)點(diǎn)的位置分布狀況可以對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的路由效率提供幫助, 從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)配置, 改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。定位最簡(jiǎn)單的方法是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS) 接收器, 用以確定節(jié)點(diǎn)位置。但是, 由于經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)

2、點(diǎn)能量制約和GPS對(duì)于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制, 導(dǎo)致方案的可行性較差。 一般只有少量節(jié)點(diǎn)通過(guò)裝載GPS或通過(guò)預(yù)先部署在特定位置的方式獲取自身坐標(biāo)。因此, 必須采取一定的機(jī)制或算法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的定位。二.主要的WSN定位方法 普遍認(rèn)為基于測(cè)距和非測(cè)距的算法分類更為清晰,但大部分基于非測(cè)距的定位算法只是停留在理論研究階段, 且大都是在仿真環(huán)境下進(jìn)行的, 需要假設(shè)很多不確定因素, 而這些因素在實(shí)際應(yīng)用中往往不能滿足, 在實(shí)際應(yīng)用中通常選擇測(cè)距算法。1.依據(jù)距離測(cè)量與否測(cè)距算法非測(cè)距算法2依據(jù)節(jié)點(diǎn)連通度和拓?fù)浞诸悊翁惴ǘ嗵惴?依據(jù)信息處理的實(shí)現(xiàn)方式分布式算法集中式算法三.國(guó)

3、內(nèi)外基于測(cè)距的定位方法的研究 基于測(cè)距的算法利用某種測(cè)量方法測(cè)量距離(或角度)利用測(cè)得的距離(或角度)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)距離的測(cè)量方法基于時(shí)間的方法基于信號(hào)傳輸時(shí)間的方法(time of arrival, TOA)基于信號(hào)傳輸時(shí)間差的方法(time difference of arrival, TDOA)基于信號(hào)到達(dá)角度的方法(angle of arrival, AOA)基于接收信號(hào)強(qiáng)度的方法(received signal strength indicator, RSSI)3.1距離的測(cè)量方法3.1.1基于信號(hào)傳輸時(shí)間的方法 最早的TOA距離估計(jì)算法是在非時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)中利用對(duì)稱雙程測(cè)距協(xié)議進(jìn)行

4、測(cè)量的， 之后單程測(cè)距方法在后續(xù)的研究中被提出, 如Harter開發(fā)的Active Bat定位系統(tǒng), 它由一系列固定在網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)組成。固定節(jié)點(diǎn)從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中接收超聲波, 并通過(guò)TOA算法計(jì)算到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離, 在通信范圍30 m左右的情況下, 其定位精度達(dá)到9 cm, 相對(duì)精度9.3%.TOA技術(shù)通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算距離, 該技術(shù)可分為單程測(cè)距和雙程測(cè)距, 單程測(cè)距即信號(hào)只傳輸一次, 雙程測(cè)距即信號(hào)到達(dá)后立即發(fā)回。前者需要兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間具有嚴(yán)格的時(shí)間同步, 后者則不需要時(shí)間同步, 但是本地時(shí)鐘的誤差同樣會(huì)造成很大的距離偏差。最典型的應(yīng)用就是GPS定位系統(tǒng)。TOA只有在視距(line-

5、of-sight, LOS)的情況下才比較精確, 在非視距(none line-of-sight, NLOS)情況下, 隨著傳播距離的增加測(cè)量誤差也會(huì)相應(yīng)增大。 優(yōu)點(diǎn): 測(cè)量方法簡(jiǎn)單且能取得較高的定位精度。 缺點(diǎn): 1.精確計(jì)時(shí)難 2.高精度同步難 3.易受噪聲影響實(shí) 例3.1.2基于信號(hào)傳輸時(shí)間差的方法 由MIT開發(fā)出的Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)最早采用了RF信號(hào)與超聲波信號(hào)組合的TDOA測(cè)距技術(shù), 在2 m2 m2.5 m的范圍內(nèi), 該系統(tǒng)定位精度在10 cm以下, 現(xiàn)已成為Crossbow的商業(yè)化產(chǎn)品。 基于時(shí)間的定位方法的定位精度雖高, 但從上面的例子中可以看出其測(cè)距距離較短, 且附加

6、的硬件將增加節(jié)點(diǎn)的體積和功耗, 不適于實(shí)際應(yīng)用。TDOA測(cè)距技術(shù)廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方案中。通常在節(jié)點(diǎn)上安裝超聲波收發(fā)器和射頻收發(fā)器, 測(cè)距時(shí)錨節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送超聲波和電磁波, 接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)兩種信號(hào)到達(dá)時(shí)間差來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間距離。 優(yōu)點(diǎn):在LOS情況下能取得較高的定位精度。缺點(diǎn): 1. 硬件需求較高2.傳輸信號(hào)易受環(huán)境影響 3.應(yīng)用場(chǎng)合單一實(shí) 例3.1.3基于信號(hào)到達(dá)角度的方法AOA測(cè)距技術(shù)依靠在節(jié)點(diǎn)上安裝天線陣列來(lái)獲得角度信息。由于大部分節(jié)點(diǎn)的天線都是全向的, 無(wú)法區(qū)分信號(hào)來(lái)自于哪個(gè)方向。因此該技術(shù)需要特殊的硬件設(shè)備如天線陣列或有向天線等來(lái)支持。 優(yōu)點(diǎn):能夠取得不錯(cuò)的精度缺點(diǎn):裝有天線陣

7、列的節(jié)點(diǎn)的耗能、尺寸以及價(jià)格都要超過(guò)普通的傳感節(jié)點(diǎn), 與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本和低能耗的特性相違背, 所以實(shí)用性較差。3.1.4基于接收信號(hào)強(qiáng)度的方法 早期的RSSI距離測(cè)量方法有Hightower等人設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位SpotON tags系統(tǒng), 通過(guò)RSSI方法來(lái)估計(jì)兩點(diǎn)間的距離, 通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互位置來(lái)進(jìn)行定位, 在邊長(zhǎng)3 m的立方體內(nèi), 其定位精度在1 m以內(nèi).RSSI是在已知發(fā)射功率的前提下, 接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率, 計(jì)算傳播損耗, 并使用信號(hào)傳播模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。 優(yōu)點(diǎn):低成本 缺點(diǎn): 1.錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量需求多 2.多路徑反射、非視線問(wèn)題等因素都會(huì)影響距離測(cè)量的精度實(shí) 例3.1.5各種方

8、法的研究比例研究RSSI方法的大約占了以上幾種方法總數(shù)的52%, TOA方法25%,TDOA方法13%和AOA方法10%,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。3.2 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法三邊測(cè)量法三角測(cè)量法極大似然估計(jì)法 已知3個(gè)節(jié)點(diǎn)A, B,C的坐標(biāo)以及3點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離就可以估算出該未知點(diǎn)D的坐標(biāo), 同理也可以將這個(gè)結(jié)果推廣到三維的情況。三邊測(cè)量法原理示意圖三角測(cè)量法原理示意圖 已知3個(gè)節(jié)點(diǎn)A, B, C的坐標(biāo)和未知節(jié)點(diǎn)D與已知節(jié)點(diǎn)A, B, C的角度, 每次計(jì)算2個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)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(biāo)和半徑。

9、最后利用三邊測(cè)量法, 根據(jù)求得的圓心坐標(biāo)就能求出未知節(jié)點(diǎn)D的位置。極大似然估計(jì)法原理示意圖已知n個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離, 列出坐標(biāo)與距離的n個(gè)方程式, 從第1個(gè)方程開始, 每個(gè)方程均減去最后一個(gè)方程, 得到n1個(gè)方程組成的線性方程組, 最后用最小二乘估計(jì)法可以得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。四.新型WSN定位方法1.基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法2.三維定位方法3.智能定位算法利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)定位可以避免網(wǎng)絡(luò)中多跳和遠(yuǎn)距離傳輸產(chǎn)生的定位誤差累計(jì), 并且可以減少錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量, 進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的成本。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間定位需求不斷提升, 三維空間場(chǎng)景下的定位也成為了一個(gè)新的研究方向。目前的三維定位算法包括基

10、于劃分空間為球殼并取球殼交集定位的思想, 提出的對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維定位的非距離定位算法APIS(approximate point in sphere) 。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的戶外三維定位, 將錨節(jié)點(diǎn)固定在直升機(jī)上通過(guò)GPS實(shí)時(shí)感知自身位置, 采用基于RSSI的測(cè)距方法, 利用粒子濾波定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位, 該方法不需要任何關(guān)于未知節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)知識(shí), 非常適合應(yīng)用于戶外定位。五.總結(jié) 無(wú)論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測(cè), 還是交通路況監(jiān)測(cè)或醫(yī)療衛(wèi)生中對(duì)病人的跟蹤等應(yīng)用場(chǎng)合, 很多獲取的監(jiān)測(cè)信息需要附帶相應(yīng)的位置信息, 否則, 這些數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)自

11、身位置信息的獲取是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。截至目前, 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究已廣泛開展并取得了許多研究成果, 但仍存在著一些沒(méi)有被解決或被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題, 目前最為關(guān)鍵的問(wèn)題仍然是WSN節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題, 一切的定位算法應(yīng)該在精度和能量消耗上選取一個(gè)較為折衷的效果。目前存在的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)： 1) 實(shí)用性差 2) 應(yīng)用環(huán)境單一 3) 受硬件限制 4) 能量受限 5) 安全和隱私問(wèn)題 未來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位在解決上述問(wèn)題之后將廣泛應(yīng)用于各類領(lǐng)域, 包括安全定位、變化的環(huán)境、三維空間等。參考文獻(xiàn) 1王福豹, 史龍, 任豐原. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法J. 軟件學(xué)報(bào), 2005, 16 (05): 857-868. 2彭保. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位及安全定位技術(shù)研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009: 20-25. 3邱巖, 趙沖沖, 戴桂蘭. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究J. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2008, 35(5): 4