WSN 定位技術(shù)基本概念資料下載

??1 引 言 ? ??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)測及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(yīng)用場合， 很多獲取的監(jiān)測信息需要附帶相應(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)候會失去采集的意義， 因此網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)自身位置信息的獲取是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。首先， 傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”， 從而實(shí)現(xiàn)對外部目標(biāo)的定位和跟蹤； 其次， 了解傳感器節(jié)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(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。因此， 必須采取一定的機(jī)制或算法來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的定位。 ??無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位最簡單的方法是為每個(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)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(dǎo)致方案的可行性較差。因此， 一般只有少量節(jié)點(diǎn)通過裝載GPS 或通過預(yù)先部署在特定位置的方式獲取自身坐標(biāo)。另外， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位涉及很多方面的內(nèi)容， 包括定位精度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、錨節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性以及功耗等， 如何平衡各種關(guān)系對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題非常具有挑戰(zhàn)性?？梢哉f無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位問題在很大程度上決定著其應(yīng)用前景。因此， 研究節(jié)點(diǎn)定位問題不僅必要， 而且具有很重要的現(xiàn)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 ??1） 錨節(jié)點(diǎn)（anchors）： 也稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、燈塔節(jié)點(diǎn)等， 可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)； ??2） 普通節(jié)點(diǎn)（normal nodes）： 也稱為未知節(jié)點(diǎn)或待定位節(jié)點(diǎn)， 預(yù)先不知道自身位置， 需使用錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并運(yùn)用一定的算法得到估計(jì)位置的節(jié)點(diǎn)； ??3） 鄰居節(jié)點(diǎn)（neighbor nodes）： 傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)； ??4） 跳數(shù)（hop count）： 兩節(jié)點(diǎn)間的跳段總數(shù)； ??5） 跳段距離（hop distance）： 兩節(jié)點(diǎn)之間的每一跳距離之和； ??6） 連通度（connectivity）： 一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目； ??7） 基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）： 協(xié)助節(jié)點(diǎn)定位且已知自身位置的固定設(shè)備， 如衛(wèi)星基站、GPS 等。 ??2.2 定位方法的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ??無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏差， 一般用長度計(jì)量單位表示。相對誤差一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)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(gè)房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。 ??另外， 給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或一段時(shí)間， 一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)。 ??3） 錨節(jié)點(diǎn)密度。錨節(jié)點(diǎn)定位通常依賴人工部署或使用GPS 實(shí)現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點(diǎn)的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制， 還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。而使用GPS 定位， 錨節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用會比普通節(jié)點(diǎn)高兩個(gè)數(shù)量級， 這意味著即使僅有10%的節(jié)點(diǎn)是錨節(jié)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(jié)點(diǎn)密度的增加而提高的范圍有限， 當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后不會再提高。因此， 錨節(jié)點(diǎn)密度也是評價(jià)定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。 ??4） 節(jié)點(diǎn)密度。節(jié)點(diǎn)密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點(diǎn)密度的影響。 ??在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加， 而且會因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。 ??5） 容錯(cuò)性和自適應(yīng)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(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。 ??而真實(shí)環(huán)境往往比較復(fù)雜， 且會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效或節(jié)點(diǎn)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(shí)， 物理地維護(hù)或替換節(jié)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(tǒng)和算法必須有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性， 能夠通過自動(dòng)調(diào)整或重構(gòu)糾正錯(cuò)誤， 對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障管理， 減小各種誤差的影響。 ??6） 功耗。功耗是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)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(jì)算量、通信開銷、存儲開銷、時(shí)間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標(biāo)。 ??7） 代價(jià)。定位系統(tǒng)或算法的代價(jià)可從不同的方面來評價(jià)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價(jià)則包括實(shí)現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用。 ??上述7 個(gè)性能指標(biāo)不僅是評價(jià)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的標(biāo)準(zhǔn)， 也是其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)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(biāo)相互關(guān)聯(lián)， 必須根據(jù)應(yīng)用的具體需求做出權(quán)衡以設(shè)計(jì)合適的定位技術(shù)。 ? ??3 主要的WSN 定位方法 ? ??WSN 的定位方法較多， 可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方式的不同來進(jìn)行分類。在數(shù)據(jù)采集方式上， 不同的算法需要采集的信息有所側(cè)重， 如距離、角度、時(shí)間或周圍錨節(jié)點(diǎn)的信息， 其目的都是采集與定位相關(guān)的數(shù)據(jù)， 并使其成為定位計(jì)算的基礎(chǔ)。在信息處理方式上， 無論是自身處理還是上傳至其他處理器處理， 其目的都是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)， 完成定位功能。目前比較普遍的分類方法有3 種： ??1） 依據(jù)距離測量與否可劃分為： 測距算法和非測距算法。其中測距法是對距離進(jìn)行直接測量， 非測距法依靠網(wǎng)絡(luò)連通度實(shí)現(xiàn)定位， 測距法的精度一般高于非測距法， 但測距法對節(jié)點(diǎn)本身硬件要求較高，在某些特定場合， 如在一個(gè)規(guī)模較大且錨節(jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)中， 待定位節(jié)點(diǎn)無法與足夠多的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信測距， 普通測距方法很難進(jìn)行定位， 此時(shí)需要考慮用非測距的方式來估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離，兩種算法均有其自身的局限性；2） 依據(jù)節(jié)點(diǎn)連通度和拓?fù)浞诸惪蓜澐譃椋?單跳算法和多跳算法。單跳算法較多跳算法來說更加的簡便易行， 但是存在著可測量范圍過小的問題， 多跳算法的應(yīng)用更為廣泛， 當(dāng)測量范圍較廣導(dǎo)致兩個(gè)節(jié)點(diǎn)無法直接通信的情況較多時(shí)， 需要多跳通信來解決；3） 依據(jù)信息處理的實(shí)現(xiàn)方式可劃分為： 分布式算法和集中式算法。以監(jiān)測和控制為目的算法因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)要在數(shù)據(jù)中心匯總和處理， 大多使用集中式算法， 其精度較高， 但通信量較大。分布式算法是傳感器節(jié)點(diǎn)在采集周圍節(jié)點(diǎn)的信息后， 在其自身的后臺執(zhí)行定位算法， 該方法可以降低網(wǎng)絡(luò)通信量， 但目前節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力及存儲能力有限， 復(fù)雜的算法難以在實(shí)際平臺中實(shí)現(xiàn)。 ??普遍認(rèn)為基于測距和非測距的算法分類更為清晰， 本文以其為分類原則介紹主要的WSN 定位方法。此外， 由于目前非測距算法大多為理論研究， 且實(shí)用性較差， 因此， 本文將著重介紹基于測距的定位方法。 ??3.1 基于測距的算法 ??基于測距的算法通常分為2個(gè)步驟， 首先利用某種測量方法測量距離（或角度）， 接著利用測得的距離（或角度）計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。下面分別進(jìn)行介紹。 ??3.1.1 距離的測量方法 ??本節(jié)將詳細(xì)說明3 種主流的測量方法， 第一種是基于時(shí)間的方法， 包括基于信號傳輸時(shí)間的方法（time of arrival， TOA）和基于信號傳輸時(shí)間差的方法（time difference of arrival， TDOA）； 第二種是基于信號角度的方法（angle of arrival， AOA）； 第三種是基于信號接收信號強(qiáng)度的方法（received signal strengthindicator， RSSI）方法。下面分別進(jìn)行介紹。 ??1） 基于時(shí)間的方法 ??a. 基于信號傳輸時(shí)間的方法： ??TOA 技術(shù)通過測量信號的傳播時(shí)間來計(jì)算距離，該技術(shù)可分為單程測距和雙程測距， 單程測距即信號只傳輸一次， 雙程測距即信號到達(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)鐘的誤差同樣會造成很大的距離偏差。最典型的應(yīng)用就是GPS 定位系統(tǒng)。 ??優(yōu)點(diǎn)： 測量方法簡單且能取得較高的定位精度。 ??缺點(diǎn)： Ⅰ。 精確計(jì)時(shí)難。通常傳感節(jié)點(diǎn)之間通信都采用無線電信號， 由于無線電的傳輸速度非常快，而傳感節(jié)點(diǎn)之間的距離又較小， 這使得計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的信號傳輸時(shí)間非常困難。因此利用此技術(shù)定位的節(jié)點(diǎn)需要采用特殊硬件來產(chǎn)生用于發(fā)送和接收的慢速無線信號。Ⅱ。 高精度同步難。