史文進(jìn)，張兢，李冠迪,曾建梅

　　（重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054）

       摘要：節(jié)點(diǎn)定位是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)在軍用、民用方面得到很廣泛的應(yīng)用。探討了國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)做了調(diào)查研究，從錨節(jié)點(diǎn)/無(wú)錨節(jié)點(diǎn)定位、集中式/分布式定位、測(cè)距/非測(cè)距定位算法進(jìn)行闡述，同時(shí)對(duì)各類算法從節(jié)點(diǎn)定位的定位精度、規(guī)模、功耗等不同角度進(jìn)行了對(duì)比。重點(diǎn)探討基于RSSI的質(zhì)心定位算法，并進(jìn)行仿真，結(jié)果表明其定位精度明顯提高。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)定位；測(cè)距/非測(cè)距

0引言

　　 重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500917) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Senor Network, WSN)是由大量具有數(shù)據(jù)獲取能力、無(wú)線通信傳輸數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)［1］。在被監(jiān)測(cè)區(qū)域放置成千上萬(wàn)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間相互通信，形成一個(gè)以無(wú)線連接傳輸方式的網(wǎng)絡(luò)。借助節(jié)點(diǎn)之間協(xié)作感知或者監(jiān)視外部變化，對(duì)采集的信息進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)通過(guò)基站將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。

　　WSN利用其信息獲取和處理技術(shù)，在目標(biāo)偵查跟蹤、目標(biāo)監(jiān)測(cè)定位等相關(guān)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。例如軍事偵查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)定位、目標(biāo)跟蹤、特殊病人的監(jiān)護(hù)與救護(hù)、幼童位置監(jiān)測(cè)與救護(hù)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)位置識(shí)別、跟蹤或目標(biāo)定位是指通過(guò)分布區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的物理坐標(biāo)建立一個(gè)類似于GPS衛(wèi)星定位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)地圖［2］。

1定位技術(shù)

　　在WSN中，節(jié)點(diǎn)向周圍鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，必須確定自身節(jié)點(diǎn)位置。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布多、規(guī)模大，使得通過(guò)中心基站查詢節(jié)點(diǎn)位置，無(wú)法短時(shí)間內(nèi)完成。WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)硬件配置較低，傳統(tǒng)的GPS因用戶成本較高并不適合于WSN定位應(yīng)用［3］。因此，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息的數(shù)據(jù)中需包含自身的坐標(biāo)信息。另外WSN中節(jié)點(diǎn)定位涉及到定位精度、節(jié)點(diǎn)規(guī)模、容錯(cuò)性和魯棒性、能耗等。平衡定位精度是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的關(guān)鍵［4］。對(duì)于定位技術(shù)有很多種，本文從錨節(jié)點(diǎn)/無(wú)錨節(jié)點(diǎn)、集中式/分布式、測(cè)距/非測(cè)距幾方面進(jìn)行闡述。

　　1.1錨節(jié)點(diǎn)算法/無(wú)錨節(jié)點(diǎn)算法

　　錨節(jié)點(diǎn)定位方式是以錨節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)。首先估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離以及選擇不同要求的算子進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)初始化估計(jì)，最后對(duì)初始的未知節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化處理。錨節(jié)點(diǎn)的密度越高，參考節(jié)點(diǎn)越多，定位就越精確。但是由于增加了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。

　　無(wú)錨節(jié)點(diǎn)算法需要?jiǎng)?chuàng)建映射，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的映射關(guān)系估計(jì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。不同的映射關(guān)系，也會(huì)有不同的精度。有時(shí)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、平移等創(chuàng)建映射關(guān)系。NISSanka［5］等人提出的算法是一種無(wú)需錨節(jié)點(diǎn)的定位，它是通過(guò)多跳確立一個(gè)映射關(guān)系，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，最后采用質(zhì)量—彈簧模型進(jìn)行迭代優(yōu)化。

　　1.2集中式算法與分布式算法

　　集中式定位算法：定位信息傳送到一個(gè)中心基站，然后進(jìn)行定位計(jì)算。集中式計(jì)算從全局出發(fā)，計(jì)算量和存儲(chǔ)量幾乎沒(méi)有限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。由于只有一個(gè)基站來(lái)完成計(jì)算，所以導(dǎo)致通信、存儲(chǔ)消耗較大，最終導(dǎo)致電能消耗完，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)定位。

　　分布式定位算法：與集中式定位算法對(duì)應(yīng)的一種算法，利用節(jié)點(diǎn)間的通信節(jié)點(diǎn)自行計(jì)算、估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。集中式與分布式定位算法的對(duì)比如表1所示。

　　1.3測(cè)距/非測(cè)距定位

　　1.3.1基于測(cè)距技術(shù)的定位算法

　　這類定位算法是通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度進(jìn)行定位。通過(guò)傳感器來(lái)估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的距離。常見的基于測(cè)距技術(shù)的定位算法有基于接收信號(hào)強(qiáng)度的算法(Received Signal Strength Indicator, RSSI)、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的方法(Time of Arrival, TOA)、基于信號(hào)到達(dá)角的方法(Angle of Arrival, AOA)、基于信號(hào)傳輸時(shí)間差的方法(Time Difference of Arrival, TDOA)。

　　（1）接收信號(hào)強(qiáng)度算法(RSSI)：該方法依據(jù)接收信號(hào)能量強(qiáng)度(RSSI)確定距離，對(duì)通信信道參數(shù)要求較高。根據(jù)已知信號(hào)的發(fā)射功率和節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)功率，就可以測(cè)得節(jié)點(diǎn)間的距離。節(jié)點(diǎn)A到B的信號(hào)強(qiáng)度具體公式如下：

　　其中Pr是節(jié)點(diǎn)B接收信號(hào)強(qiáng)度，Pt是發(fā)射功率，Gt、Gr分別是A、B的天線增益，λ是波長(zhǎng)，R是距離，L是損耗因子。由于信號(hào)傳播的過(guò)程中，受到距離和障礙物的影響，信號(hào)的功率強(qiáng)度隨之衰減，間接影響精度。所以對(duì)于短距離通信可以得到良好的精度。

　　（2）基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間的方法(TOA)：TOA 也稱為TOF(Time of Flight)。這種方法的前提是節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步，移動(dòng)終端發(fā)射測(cè)量信號(hào)到達(dá)基站，并施以特定算法的計(jì)算,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)終端的定位。其中距離可以通過(guò)下面的公式計(jì)算：

　　其中d是節(jié)點(diǎn)之間距離，c是傳播速度，Δt為時(shí)間間隔。

　　（3）基于信號(hào)到達(dá)角的方法(AOA)：AOA指測(cè)量發(fā)送端和接收端的角度獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息最終完成定位。測(cè)量角度是通過(guò)安裝在節(jié)點(diǎn)上的天線陣列，選擇合適的三角測(cè)量術(shù)算法得到的。由于AOA方法需要在接收和發(fā)送兩端安裝天線陣列，其成本和能耗問(wèn)題就會(huì)相應(yīng)提高，所以AOA的實(shí)用性較差。

　　（4）基于信號(hào)傳輸時(shí)間差的方法(TDOA)：TDOA方法測(cè)量距離是根據(jù)兩波到達(dá)同一目標(biāo)或者不同目標(biāo)的時(shí)間間隔。節(jié)點(diǎn)的距離公式如下:

　　其中d是節(jié)點(diǎn)之間的距離，Δt是接收時(shí)間間隔，S=(C1×C2)/(C1－C2)，C1和C2是兩種波的傳播速度。

　　對(duì)于不同的測(cè)距方式，定位算法需要根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇，如表2是不同測(cè)距定位算法精度比較。

　　1.3.2無(wú)需測(cè)距技術(shù)的算法

　　此類算法不需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離進(jìn)行定位，由于信息可以通過(guò)多跳方式發(fā)送，利用對(duì)跳數(shù)信息的處理估計(jì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離，再根據(jù)算法得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。該算法無(wú)需測(cè)距，其優(yōu)點(diǎn)是功耗低、成本低，缺點(diǎn)是定位精度不高。常見的方法有DVHop［6］和質(zhì)心定位(Centroid Location, CL)。

　　（1）DVHop：DVHop算法是一種基于距離矢量計(jì)算跳數(shù)的算法。DVHop算法一般分為三個(gè)步驟：（1）計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)；（2）每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的平均跳距；（3）通過(guò)三邊法、極大似然法、最小二乘法［7］等估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

　　（2）質(zhì)心算法(CL)：質(zhì)心算法基于網(wǎng)絡(luò)的連通性，以未知節(jié)點(diǎn)周圍的錨節(jié)點(diǎn)作為幾何質(zhì)心，每一個(gè)周期向鄰邊節(jié)點(diǎn)發(fā)送錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，最終未知節(jié)點(diǎn)確定為組成多邊形的相對(duì)幾何質(zhì)心，以此估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)的位置。設(shè)與未知節(jié)點(diǎn)聯(lián)通的錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x1,y1)(x2,y2)…(xn,yn)，則由n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的n-1邊的多邊形質(zhì)心(x,y)為：

　　該質(zhì)心定位算法相比于加權(quán)質(zhì)心算法和三邊測(cè)量法［8］較為簡(jiǎn)單，但位置錯(cuò)誤率高。

2基于RSSI的質(zhì)心定位算法

　　傳統(tǒng)的質(zhì)心定位算法簡(jiǎn)單，可行性高，但定位精度不高，常常定位不到目標(biāo)。為了提高定位精度，提出基于RSSI的質(zhì)心定位算法，使質(zhì)心算法與RSSI相結(jié)合，通過(guò)RSSI的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為傳輸距離，就可以提高定位精度。即鄰居節(jié)點(diǎn)接收到信息后，記錄錨節(jié)點(diǎn)的RSSI值，計(jì)算以錨節(jié)點(diǎn)為圓心的傳輸距離，記錄下以傳輸距離為半徑的所有圓的相交節(jié)點(diǎn)。對(duì)交點(diǎn)采用質(zhì)心算法，就可以估計(jì)未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。如圖1所示，A、B、C為錨節(jié)點(diǎn),未知節(jié)點(diǎn)P1必然落在三角形O1O2O3中。進(jìn)一步對(duì)此算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3仿真驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用MATLAB2010b版本仿真軟件，在100 m×100 m的區(qū)域，30個(gè)未知節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，取平均誤差值，比較質(zhì)心定位算法、RSSI定位算法、基于RSSI質(zhì)心定位算法的誤差。仿真結(jié)果如圖2

       圖2中，實(shí)點(diǎn)是錨節(jié)點(diǎn)，星號(hào)是未知節(jié)點(diǎn)，圓圈是算法估計(jì)位置，連線是定位誤差。結(jié)果表明質(zhì)心算法和RSSI定位算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)特性一般，而基于RSSI質(zhì)心定位算法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位效果明顯提高。

　　改變通信半徑，在不同通信半徑下的基于RSSI質(zhì)心與質(zhì)心定位算法誤差比較，仿真結(jié)果如圖3所示。

　　仿真結(jié)果表明，基于RSSI質(zhì)心定位優(yōu)化算法要比普通質(zhì)心定位算法誤差小，隨著通信距離的增大，定位誤差逐步減少，并在通信半徑達(dá)到一定值后趨于誤差平穩(wěn)。如果未知移動(dòng)節(jié)點(diǎn)越靠近參考節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)越多，則結(jié)果誤差就越小。

4結(jié)論

　　隨著定位技術(shù)的發(fā)展，廉價(jià)無(wú)線定位服務(wù)大眾化趨勢(shì)加劇。對(duì)基于RSSI的質(zhì)心定位算法進(jìn)行仿真表明，其定位精度比傳統(tǒng)的質(zhì)心算法的精度高，且具有低成本、設(shè)備少、距離遠(yuǎn)、易獲取的特點(diǎn)。該算法基本滿足高精度的定位需求，適用于定位精度、發(fā)射效率相對(duì)較高的無(wú)線定位系統(tǒng)。目前，許多算法只適合特定環(huán)境或需要對(duì)條件嚴(yán)格限定，且還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，如耗能、網(wǎng)絡(luò)安全、測(cè)距干擾、定位優(yōu)化、三維定位問(wèn)題等，所以根據(jù)不同定位需求以及定位環(huán)境選擇合適的定位算法很有必要。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 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): 47-50.

　　［2］ KOTWAL S B, VERMA S, ABROL R K. Approaches of self localization in wireless sensor networks and directions in 3D［J］. International Journal of Computer Applications, 2012, 50(11):1-10.

　　［3］ YAN L Q,GIANNAKIS G B. Ultra wide band communications an idea whose time has come ［J］. IEEE Signal Processing Magazine, 2005, 21(6):26-54.

　　［4］ 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.

　　［5］ PRIYANTHA N B, BALAKRISHNAN H, DEMAINE E, et al. Anchorfree distributed localization in sensor networks［C］.Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems. ACM, 2003: 340-341.

　　［6］ 涂巧鈴,牟小燕,宋佳. 一種改進(jìn)的DVHop改進(jìn)算法［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014，28(11):84-88.

　　［7］ 孫利民.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］．北京:清華大學(xué)出版社,2005.

　　［8］ 徐林,傅成華.基于Zigbee的三邊測(cè)量算法誤差研究及改進(jìn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2012，31(21)：68-70.