無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述

2) 基于信號到達(dá)角度的方法

AOA 測距技術(shù)依靠在節(jié)點上安裝天線陣列來獲得角度信息。由于大部分節(jié)點的天線都是全向的， 無法區(qū)分信號來自于哪個方向。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支持。

優(yōu)點： 能夠取得不錯的精度。

缺點： 傳感節(jié)點最耗能的部分就是通信模塊，所以裝有天線陣列的節(jié)點的耗能、尺寸以及價格都要超過普通的傳感節(jié)點， 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本和低能耗的特性相違背， 所以實用性較差。

關(guān)于AOA 定位的文獻(xiàn)比較少，最早提出在室內(nèi)采集方向信息， 并以此實現(xiàn)定位的方法，它的硬件部分包括微控制器、RF 接收器、5 個排成“V”型的超聲波接收器， 其測量誤差精度為5°。隨后， 一些學(xué)者提出了在只有部分節(jié)點有定位能力的情況下確定所有節(jié)點的方向和位置信息的算法。

3) 基于接收信號強度的方法

RSSI 是在已知發(fā)射功率的前提下， 接收節(jié)點測量接收功率， 計算傳播損耗， 并使用信號傳播模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。

優(yōu)點： 低成本。每個無線傳感節(jié)點都具有通信模塊， 獲取RSSI 值十分容易， 無需額外硬件。

缺點： 1) 錨節(jié)點數(shù)量需求多。由于RSSI 值在實際應(yīng)用中的規(guī)律性較差， 使得利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法在定位精度以及實用性上存在缺陷。所以為了達(dá)到較高的定位精度， 利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法通常需要較多數(shù)量的錨節(jié)點。2) 多路徑反射、非視線問題等因素都會影響距離測量的精度。

早期的RSSI 距離測量方法有Hightower 等人設(shè)計的室內(nèi)定位SpotON tags 系統(tǒng)， 通過RSSI 方法來估計兩點間的距離， 通過節(jié)點間的相互位置來進(jìn)行定位， 在邊長3 m 的立方體內(nèi)， 其定位精度在1 m 以內(nèi)。目前， 基于RSSI 值的距離測量方法可以分為2 種， 一種是需要預(yù)先測試環(huán)境信息的方法， 即在實驗開始前， 對定位的區(qū)域進(jìn)行大量的RSSI 值測試，將不同點得到的RSSI 值保存到數(shù)據(jù)庫中， 建成場強圖或擬合曲線， 在實際測試時查詢和調(diào)用。另外一種是無需預(yù)先測試環(huán)境信息的方法， 直接在定位區(qū)域進(jìn)行節(jié)點布置和定位， 如雙曲線模型法，迭代的分布式算法， 結(jié)合露珠洪泛思想引入RSSI 機制的HCRL(hop-count-ratio based localization)算法等。

總體來說， 需要預(yù)先測試環(huán)境參數(shù)的方法在實際定位中計算量小， 這類方法只需要簡單的查表或根據(jù)擬合曲線進(jìn)行計算， 其缺點是實驗前需要做大量的準(zhǔn)備工作， 而且一旦環(huán)境改變則預(yù)先建立的模型將不再適用。無需預(yù)先測試環(huán)境參數(shù)的方法需要定位引擎的計算操作， 往往具有復(fù)雜的計算過程，但適應(yīng)性較強。

以上幾種測距方法各有利弊， 以2009 年發(fā)表的基于測距法的文獻(xiàn)來看， 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%, 其比例圖如圖1 所示， 從實用性的角度來看， 基于RSSI 的定位方法更簡便易行， 因此， 基于RSSI 測距方法的研究占基于測距算法研究總數(shù)的一半以上。

圖1 各類方法研究比例圖

3.1.2 節(jié)點坐標(biāo)計算方法

無線傳感器節(jié)點定位過程中， 當(dāng)未知節(jié)點獲得與鄰近參考節(jié)點之間的距離或相對角度信息后， 通常使用以下原理計算自己的位置。

1) 三邊測量法是一種基于幾何計算的定位方法，如圖2 所示， 已知3 個節(jié)點A, B, C 的坐標(biāo)以及3 點到未知節(jié)點的距離就可以估算出該未知點D 的坐標(biāo)，同理也可以將這個結(jié)果推廣到三維的情況。

2) 三角測量法也是一種基于幾何計算的定位方法， 如圖3 所示， 已知3 個節(jié)點A, B, C 的坐標(biāo)和未知節(jié)點D 與已知節(jié)點A, B, C 的角度， 每次計算2 個錨節(jié)點和未知節(jié)點組成的圓的圓心位置如已知點A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3 個圓心的坐標(biāo)和半徑。最后利用三邊測量法， 根據(jù)求得的圓心坐標(biāo)就能求出未知節(jié)點D 的位置。

圖2 三邊測量法原理示意圖

圖3 三角測量法原理示意圖