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無線傳感器網絡定位技術研究

 論文欄目:信息與傳播    更新時間:2018-04-26 11:01   

 摘 要:無線傳感器網絡定位技術作為一種新型信息獲取及處理技術,在一些領域中得到了廣泛的應用。文章針對無線傳感器網絡定位技術的方法和相關算法進行分析,希望可以找出最準確的定位方式。 
  關鍵詞:無線傳感器;網絡定位技術;測距算法 
  通過對傳感器節點位置的研究可以分析出路由效率,進而保證網絡負荷的平衡,實現網絡拓撲的自動配置,從而提升網絡覆蓋的質量。可見,利用傳感器網絡定位技術實現對各個節點的準確定位對實際網絡應用的重要意義。由于經濟、節點能量和環境等因素的影響,在很多時候GPS無法發揮出應有的定位作用,此時就需要依靠無線傳感器網絡的定位技術來實現節點坐標定位。 
  1 WSN定位技術 
  1.1 定位方法 
  無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)定位指的是針對未知網絡節點的確定,主要是采用已知部分的錨節點,來測量未知節點和剩余節點的距離以及跳數,另外還可以對節點可能存在的區域范圍進行估計,同時利用節點交換時所得出的錨節點位置,來確定每個節點的位置[1]。WSN定位技術的實際作用就是通過已知節點和位置,利用傳觀器將節點分成信標節點、錨點和未知節點,再根據已知部分的節點來確定節點可能的范圍,實現對所有節點的定位。 
  1.2 定位方法的性能評價標準 
  1.2.1 定位精度 
  在對定位技術進行評估時,最主要的評價指標就是定位的精準度,就定位技術的精確度而言,可以細分為相對精度和絕對精度。相對精度通常以誤差值和節點無線射程來表示,誤差值越小則代表精度越好,反之則精度低,這是相對精度的確定依據。絕對精度指的是測量坐標和真實坐標之間存在的偏差,差異越小則絕對精度越高。 
  1.2.2 規模 
  規模指的是定位系統對區域空間定位的有效值,即定位系統可以滿足一層建筑、一個房間或者整個樓房的定位,簡單來說就是定位技術所能達到的有效范圍。同時對特定的定位目標實現定位操作也是定位方法性能評估的一個關鍵因素。 
  1.2.3 錨節點密度 
  錨節點的定位一般是通過人工設置和GPS技術實現,但是采用人工設置錨節點時,在一定程度上會受到網絡環境的限制,使得網絡和應用性能無法得以擴展。而采用GPS定位技術時,所投入的成本費用相對較高,每設置一個錨節點就需要高于普通節點兩倍的價格,定位準確性與錨點設置的數量具有直接聯系,但當錨節點達到一定數值時準確度將不會發生變化,為此錨節點的設置密度也可作為評價系統中的關鍵環節。 
  1.2.4 節點密度 
  在實際定位技術中,節點密度與網絡聯通的度密切相關,在一些定位算法中,節點密度的變化將會對定位的精確度產生直接影響。而節點密度的增加會帶來網絡部署成本費用的增加,同時密度較大的節點在實際通信過程中也提升產生沖突的概率,致使帶寬受阻,嚴重影響定位技術的應用效果,為此,將其作為定位方法性能評價系統中的關鍵內容。 
  1.2.5 容錯性和自適應性 
  定位技術的方法和算法對網絡通信環境和節點均具有較高的要求,如果網絡通信環境不佳或者節點設備無法達到算法條件要求,就會對定位的準確性產生影響。而在實際應用定位技術的過程中可以發現,往往需要面臨復雜的網絡通信環境,節點失效或者節點精度不高也是較為常見的問題,這類問題會給定位的精確度帶來嚴重影響。在面臨這類問題時往往采用物理維護的方式對失效節點進行替換或是使用更加高端的手段進行定位測量,在實際開展的過程中遇到很多問題,缺乏一定的可行性。這就要求定位方法需要具備一定的容錯性和自適應性,在遇到上述問題時,能夠在系統內部完成調整,確保無線傳感網絡的穩定運行,保證定位的精準性。 
  1.2.6 功耗 
  無線傳感器設計中功耗設計對其穩定運行和精準度均有一定程度的影響。因無線傳感器中的電量有限,只有保證各項定位和計算功能的功率輸出才能保證在電量耗盡之前完成定位操作。因此,在實際設計無線傳感器的功能和規律時,需要對功能消耗問題作優先考慮,確保電池能源能夠為所有功能提供充足的前提下,來完善無線傳感器的功能結構。 
  1.2.7 代價 
  定位方法和算法的代價主要表現在定位所需時間、空間以及成本這3個方面。其中時間代價是指在完成一次系統安裝所需的時間、配置功能所需的時間和定位所需的時間;空間代價是指定位方法和算法在應用的過程中所需的基礎設施和節點數量、硬件所占據的空間;成本代價是指應用某個定位方法和算法時所需要的基礎設施和節點設備投入的資金。 
  2 WSN定位方法 
  2.1 測距算法 
  2.1.1 距離測量方法 
  距離測量方法在時間上又可細分為信號傳輸時間方法和信號傳輸時間差的方法。其中新高傳輸時間方式是依靠到達時間(Time of Arrival,TOA)技術實現的,利用信號傳輸的時間來推斷傳播距離。采用TOA技術的時間算法又可以細分為單程測距和雙程測距兩種。單程測距指的是單次傳輸的信號,而雙程測距指的是信號到達之后立即返回的信號。對于單程測距而言,需要將各個節點之間的時間進行同步,如時間同步出現誤差會導致定位失準。而雙程測距則不需要考慮節點間的時間差問題,但是對本地時間的準確度要求較高,一旦本地時間出錯還是會給測距準確性帶來嚴重影響。到達時間差(Time Difference of Arrival,TDOA)測距技術在信號傳輸時間差方法中的應用是通過在各個節點安裝超聲波收發器和射頻收發器,在實際測距時可以對發送的超聲波和接收點之間的信號時間差來確定兩點之間的距離。 
  利用信號到達角度實現測距的方法,所采用的是到達角度(Angle of Arrival,AOA)測距技術,該項技術需要在各個節點上安裝天線列才能成功獲取角度信息。而實際的網絡通信環境設置中,節點的天線通常是全向的,如果不添加硬件設備和天線陣列,就很難確定信號到達的方向,為此,該項技術還需要特定的硬件設備和天線陣列作為支持。
 2.1.2 節點坐標計算方法 
  使用無線傳感器進行節點定位時,通過已知節點獲取到未知節點和臨近節點的距離信息和角度信息之后,可以采用以下幾種坐標確定方法計算出最終的定位信息。 
  (1)三邊測量法。該方法是利用幾何的計算方式來獲取定位信息的方法,在確定已知節點的坐標和距離之后,就可以繪制出未知節點D的坐標,采用同種計算方法可以推算出三維空間內的節點坐標[2]。 
  (2)三角測量法。該種測量方法同樣是采用幾何的計算原理。當存在3個已知節點時,可以利用已知節點的角度來確定錨節點,再由錨節點和未知節點確定出圓心的位置,此時由已知節點和未知節點共同組成3個圓,找出3個圓心的坐標和半徑之后,利用三角測量計算原理,確定圓點坐標,即可計算得出最終的未知節點。 
  (3)極大似然估計法。已知n個點的坐標和它們到未知節點的距離,列出坐標與距離的n個方程式,從第1個方程開始,每個方程均減去最后一個方程,得到n-1個方程組成的線性方程組,最后用最小二乘估計法可以得到未知節點的坐標。 
  (4)極小極大定位算法。該種算法是通過對未知節點和錨節點距離的計算,確定錨節點和未知節點的距離之后,以未知節點為中心,錨節點與未知節點距離的2倍為邊長,繪制出一個正方形,以此類推,利用全部錨節點繪制出的正方形重合部分的中心點即為未知節點的坐標。而采用此種方式所計算出的定位信息準確性與錨節點的密度息息相關,錨節點的密度越大則定位信息準確性越高。鑒于以上問題,有學者提出可以對錨節點的位置信息做出進一步精確判斷,以更加細化的算法提升定位信息的準確率。 
  2.2 非測距算法 
  非測距算法和測距算法之間的主要區別在于測量對象和計算方法之間的差異,即非測距算法不是采取直接測量距離的方式,而利用網絡通信信號來估算距離和坐標的方式。因非測距算法多種多樣存在一定的不確定性,我們僅對其中的幾個方法做出簡要分析。 
  有人用低功耗的算法,它利用錨節點的連通性來確定坐標。未知節點坐標是通過計算無線電范圍內所有節點的質心確定的。這種方法簡單但是誤差也較大。 
  也人提出了近似三角形內點測試(Approximate PIT Test,APIT)算法,目標節點任選3個相鄰錨節點,使用不同錨節點組合重復測試直到窮盡,確定未知節點是否位于它們所組成的三角形中。最后計算包含目標節點的所有三角形的交集質心,并以這一點作為目標節點位置,該算法需要較高的錨節點密度,精確度40%左右。 
  3 新型WSN定位技術 
  3.1 移動錨節點定位算法 
  利用移動錨節點定位可以避免網絡中多跳和遠距離傳輸產生的定位誤差,并且可以減少錨節點的數量,進而降低網絡的成本[3]。如移動錨節點(Mobile Beacon Assisted Localization Scheme,MBAL)定位方法,錨節點在移動過程中隨時更新自身的坐標,并廣播位置信息。 
  3.2 智能定位算法 
  隨著電子技術的發展和芯片計算能力的提高,傳感器網絡節點本身的性能也有提升,復雜算法也可以在網絡中實現。對于無線傳感器網絡的戶外三維定位,將錨節點固定在直升機上通過GPS實時感知自身位置,采用基于接收的信號強度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)的測距方法,利用粒子濾波定位技術實現定位,該方法不需要任何關于未知節點的先驗知識,非常適合應用于戶外定位。 
  4 結語 
  由于近幾年互聯網絡技術的快速發展,無線傳感器網絡定位技術的應用也越來越廣泛,在實際應用的過程中可以發現,網絡定位技術的準確性會受到很多因素的干擾。而無線傳感器網絡定位技術的應用也在很大程度上受到了定位準確性的限制不能快速推廣應用。鑒于以上問題,本文對無線傳感器網絡定位技術的定位方法及評價標準進行分析,進一步探討了測距算法和非測距算法的計算原理,最后對新型WSN定位的算法進行闡述,希望可以為提升傳感器網絡定位的準確性做出一些努力。 
  [參考文獻] 
  [1]郭金銘.基于ZigBee的無線傳感器網絡定位技術研究[D].廣州:華南理工大學,2013. 
  [2]施進.基于三邊測量法的無線傳感器網絡定位技術的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012. 
  [3]周建存,王濤.基于弱測距的無線傳感器網絡定位技術研究[J].福建電腦,2016(10):16-17.

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