無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述

摘 要： 首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的相關(guān)術(shù)語、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等基本概念及定位算法的分類方法； 重點(diǎn)從基于測距和非測距兩個(gè)方面介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)定位方法， 主要包括基于移動錨節(jié)點(diǎn)的定位算法、三維定位算法和智能定位算法。從實(shí)用性、應(yīng)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(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)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(yīng)用發(fā)展趨勢。

1 引 言

無線傳感器網(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)涞淖詣优渲茫?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。可以說無線傳感器網(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)的容錯性和自適應(yīng)性， 能夠通過自動調(diào)整或重構(gòu)糾正錯誤， 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)。