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通信與網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)
通信與網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)
在很多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，沒(méi)有節(jié)點(diǎn)位置信息的監(jiān)測(cè)信息往往毫無(wú)意義。當(dāng)監(jiān)測(cè)到事件發(fā)生時(shí)，關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題就是該事件發(fā)生的位置，如森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)等。這些事件的發(fā)生，首先需要知道的就是自身的地理位置信息。定位信息除了用來(lái)報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還可用于目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)、協(xié)助路由以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼取?br>
　　常見(jiàn)的定位技術(shù)如全球定位系統(tǒng)（globe positionsystem，GPS）是目前應(yīng)用*廣的、*成熟的定位系統(tǒng)，通過(guò)衛(wèi)星的授時(shí)和測(cè)距來(lái)對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，具有較高的定位精度，實(shí)時(shí)性較好，抗干擾能量強(qiáng)。但是，使用GPS技術(shù)定位只適合于視距通信的場(chǎng)合，即室外無(wú)遮擋的環(huán)境，用戶節(jié)點(diǎn)通常能耗高、體積大且成本也較高，還需要固定基礎(chǔ)設(shè)施等，這不太適合低成本自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。另外，機(jī)器人領(lǐng)域采用的定位技術(shù)也與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)不同，盡管二者非常相似，節(jié)點(diǎn)都具有自組織和移動(dòng)特性，但是機(jī)器人節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，節(jié)點(diǎn)能量充足且攜帶**的測(cè)距設(shè)各，這在一般的能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中很難滿足類似的條件。由于資源和能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)定位的算法和定位技術(shù)都提出了較高的要求。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)或定位算法通常需要具各以下重要特征：自組織特性，節(jié)點(diǎn)可能隨機(jī)分布或人工部署?能量高效特性，盡量采用低復(fù)雜度的定位算法，減少通信開(kāi)銷，延遲網(wǎng)絡(luò)壽命?分布式計(jì)算特性，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都計(jì)算自己的位置信息?魯棒性，可能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有誤差，要求定位算法具有良好的容錯(cuò)性?節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算的常用方法。

　　1．定位的基本方法

　?。?）三邊測(cè)量法（trilateration）

　　如圖1所示，已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D的距離分別為da，db，dc，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為（x，y），則存在如（6．2）所示公式：





　　圖1 三邊測(cè)量法示意圖

　　有式（6．2）可以得到節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為：



　　（2）三角測(cè)量法（triangulation）

　　如圖2所示，已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），節(jié)點(diǎn)D相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、B、C的角度分別為：?ADB，?ADC，?BDC，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為（x，y）。對(duì)于節(jié)點(diǎn)A和C以及?ADC，如果AC在△ABC內(nèi)，則**能夠確定一個(gè)圓，設(shè)圓心為O1（xo1，yo1），半徑為r1，則α＝?AO1C＝（2π—2?ADC），并存在如式（6．4）所示公式：





　　圖2 三角測(cè)量法示意圖

　　由式（6.4）就能夠確定圓心O1的坐標(biāo)和半徑r1。同理，可以確定相應(yīng)的圓心和半徑。*后根據(jù)三邊測(cè)量法，由點(diǎn)D（x，y），O1（xo1，yo2），O2（xo2，yo2），O3（xo3，yo3）確定D點(diǎn)的坐標(biāo)。

　?。?）極大似然估計(jì)法

　　極大似然估計(jì)法示意圖如圖3所示。



　　圖3 極大似然估計(jì)示意圖

　　已知1，2，3，…等n個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），…（xn，yn）。它們到節(jié)點(diǎn)D的距離分別為d1，d2，…，dn，假設(shè)D的坐標(biāo)為（x，y），則有



　　從式（6．5）中**個(gè)方程開(kāi)始分別減去*后一個(gè)方程得到D點(diǎn)坐標(biāo)。

　　2．定位算法的分類

　?。?）基于距離定位和距離無(wú)關(guān)的定位算法

　　根據(jù)是否需要測(cè)量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離將定位算法分為基于距離定位和與距離無(wú)關(guān)的定位算法。前者需要測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離或方位，并利用實(shí)際測(cè)得距離來(lái)計(jì)算未知節(jié)蕉的位置。后著毫利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置。



　　利用標(biāo)準(zhǔn)的*小均方誤差估計(jì)法，可以求得節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為：



　　（2）遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法

　　根據(jù)節(jié)點(diǎn)定位先后次序不同，將定位算法分為遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法。前者通常是從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，先對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始定位，依次向外擴(kuò)展延伸，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)逐次進(jìn)行定位，這類算法的一個(gè)缺陷就是造成定位過(guò)程中測(cè)量誤差的累積，從而影響定位精度。后者是指所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行位置的計(jì)算。

　?。?）基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)定位和無(wú)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助的定位算法

　　根據(jù)定位過(guò)程中是否使用??標(biāo)節(jié)點(diǎn)將定位算法分為基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法和無(wú)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助的定位算法。前者以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為定位中的參考點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)定位后產(chǎn)生整體的**坐標(biāo)系統(tǒng)。后者只需知道節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置，定位過(guò)程中無(wú)須信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的參與輔助，各個(gè)節(jié)點(diǎn)先以自身作為參考點(diǎn)，然后將鄰居節(jié)點(diǎn)納入自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，相鄰的坐標(biāo)系統(tǒng)依次合并轉(zhuǎn)換，*后產(chǎn)生整體的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，從而完成定位任務(wù)。

　　隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和定位技術(shù)研究的深入，一些新的定位技術(shù)和方法也應(yīng)運(yùn)而生，如基于相對(duì)部署位置的定位方法、基于**的地理信息定位方法以及基于UWB超寬帶技術(shù)的定位方法等。加上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用千差萬(wàn)別，沒(méi)有普遍適應(yīng)的定位方法和技術(shù)。

　　因此，必須根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn)和環(huán)境狀況，選擇合適的定位算法和技術(shù)，才能滿足用戶特定的應(yīng)用需求。

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