無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非視距定位技術(shù)

劉永奎，陳俊波

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河北 秦皇島 066100

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作用

計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制、微電子機(jī)械系統(tǒng)和人工智能等學(xué)科的飛速發(fā)展，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，成為目前眾多領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)代人類生活產(chǎn)生了極大的影響。如今，因特網(wǎng)為人們提供了快捷的通信平臺(tái)，人與人之間溝通交流的方式有了很大改變。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界以及軍事部門的極大關(guān)注， 這種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信形成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有通信和計(jì)算能力的微型傳感器布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量，并且非常廉價(jià)。對(duì)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或感知對(duì)象信息進(jìn)行協(xié)作地感知、采集和處理。優(yōu)點(diǎn)是具有快速部署、自組、廉價(jià)、低功耗、可擴(kuò)展性強(qiáng)以及能在惡劣和特殊的環(huán)境下正常工作等，在工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防軍事、生物醫(yī)療、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制、反恐救災(zāi)等眾多領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)，近幾年對(duì)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題的研究也很廣泛。節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要支撐技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)軟硬件所組成計(jì)算世界與實(shí)際物理世界之間建立了更為密切的聯(lián)系，極大地提高了信息的真實(shí)程度。例如，在入侵檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用中，在什么位置或區(qū)域發(fā)生了特定事件是用戶最關(guān)心的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位、跟蹤等是通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置有效地說(shuō)明被檢測(cè)物體的位置。在網(wǎng)絡(luò)層，可以設(shè)計(jì)基于節(jié)點(diǎn)位置信息的路由算法，提高路由效率，減少路由發(fā)現(xiàn)等開銷，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡；在應(yīng)用層，系統(tǒng)可以智能地根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置，選擇一些特定的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成任務(wù)，提高系統(tǒng)的存活時(shí)間，降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大，通常隨機(jī)部署在人類無(wú)法或不宜接近的區(qū)域，不需要干預(yù)，多用于較為惡劣的環(huán)境，如火山口附近。由于節(jié)點(diǎn)受到體積、重量以及制造成本等條件限制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)不易得到補(bǔ)充，并且所能承載的能量非常有限。所以，在部署時(shí)不可能人工確定節(jié)點(diǎn)位置，若在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都裝備GPS定位系統(tǒng)，卻因其造價(jià)昂貴而不適合用于廉價(jià)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)獨(dú)特的節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制和算法。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器將物理世界中的一個(gè)物理量映射到一個(gè)定量的測(cè)量值，是數(shù)據(jù)采集、信息處理的關(guān)鍵部件，它使人們對(duì)物理世界形成量化認(rèn)識(shí)。隨著微電子、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、集成化的方向發(fā)展。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有通信與計(jì)算能力的、大量無(wú)處不在的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，在無(wú)人職守的監(jiān)控區(qū)域密集部署，構(gòu)成的根據(jù)環(huán)境能夠自主完成指定任務(wù)的智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)其發(fā)展可劃分為4個(gè)階段。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)是具有簡(jiǎn)單點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)傳輸功能的傳統(tǒng)傳感器。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，通過(guò)與傳感控制器的相聯(lián)，第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)控制站間是采用數(shù)字化通信。第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)開放式的、全數(shù)字雙向網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室，它是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得將多種傳感器集成為一體，成本低廉，但測(cè)量精度低、覆蓋范圍小，通過(guò)低功耗的無(wú)線電通信技術(shù)連成網(wǎng)絡(luò)才能發(fā)揮其整體的綜合作用。第四代傳感器網(wǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多種無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，如無(wú)線電、紅外、聲波等為微傳感器間通信提供了多種選擇，以IEEE802.15.4為代表的短距離無(wú)線電通信標(biāo)準(zhǔn)奠定了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)如下：

通信能力有限，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為多跳通信模式。隨著距離的增加，通常情況下，節(jié)點(diǎn)的通信能耗將急劇增加。在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的情況下，應(yīng)盡可能的減小單跳通信距離。

傳感器節(jié)點(diǎn)電源能量有限，不能通過(guò)更換電池的方式補(bǔ)充能量。節(jié)點(diǎn)體積微小，通常電池供電十分有限，傳感器分布區(qū)域廣，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多，網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境復(fù)雜，電源能量值決定網(wǎng)絡(luò)壽命，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)突出問(wèn)題就是如何高效使用能量，使網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化。

計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，傳感器節(jié)點(diǎn)的功能比一般計(jì)算機(jī)弱。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求必須滿足功耗小、價(jià)格低，導(dǎo)致其攜帶的存儲(chǔ)器容量比較小、處理器能力比較弱。

自組織網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)心不可預(yù)知。節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，部分節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中，會(huì)隨時(shí)因?yàn)楦鞣N因素而失效，為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)動(dòng)態(tài)變化，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨之一起變化，它要求傳感器網(wǎng)絡(luò)還要具有網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配制和管理功能。

大規(guī)模、高可靠性網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)的部署相當(dāng)密集，為了保證能夠完成任務(wù)，在目標(biāo)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可通過(guò)不同空間視角獲得信息，通過(guò)分布式處理，大量采集的信息監(jiān)測(cè)的精確度得到提高，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)，除此之外，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗毀性和容錯(cuò)性。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，但節(jié)點(diǎn)位置跟節(jié)點(diǎn)編號(hào)不存在必然聯(lián)系。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，但只能針對(duì)具體的應(yīng)用來(lái)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

3 基于距離幾何的非視距定位算法

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的前提是傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自身定位。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多定位算法。測(cè)距定位算法在較少錨節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用或要求較高定位精度或，非基于測(cè)距的定位算法需要大量的錨節(jié)點(diǎn)，定位精度不高。理論上，使用測(cè)距技術(shù)能提高定位精度，但節(jié)點(diǎn)間的距離測(cè)量容易受非視距傳輸、多徑、多址干擾影響，是測(cè)距定位中誤差的主要來(lái)源，從而損害定位精度。

在相互感知范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間距離可以直接測(cè)量，不然需使用一些近似的方法估計(jì)距離值，由于測(cè)量躁聲和NLOS誤差的存在，距離測(cè)量值不精確，節(jié)點(diǎn)間存在的距離幾何。其算法利用節(jié)點(diǎn)間的距離幾何關(guān)系，構(gòu)造距離誤差優(yōu)化約束函數(shù)，提高定位精度，能夠有效地減少NLOS誤差。在實(shí)際中，信號(hào)的非視距傳播非常多，表現(xiàn)在信號(hào)延遲的增大、信號(hào)強(qiáng)度的衰落和到達(dá)角度的改變，導(dǎo)致定位誤差。完全消除NLOS誤差對(duì)定位精度的影響是不可能的，NLOS定位誤差取決于物理傳播環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的距離測(cè)量值中就包含了NLOS誤差和測(cè)量隨機(jī)誤差，但可能通過(guò)一些方法盡量減少它的危害。

非視距定位技術(shù)的分類：

NLOS傳播模型定位法。其定位性能依賴于模型的準(zhǔn)確程度。

NLOS鑒別和消除定位法。通常用于LOS傳播路徑和NLOS傳播路徑并存的情況。

約束優(yōu)化定位法。經(jīng)常用于沒有任何關(guān)于NLOS誤差先驗(yàn)知識(shí)的情況下。

指紋定位法。定位分為離線、定位兩個(gè)階段，適用于室內(nèi)、園區(qū)空間有限應(yīng)用環(huán)境。

針對(duì)NLos誤差的定位算法大致分為兩類：一類是建立在未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)及測(cè)量距離之間的幾何關(guān)系基礎(chǔ)上，稱為幾何法，;一類是稱為非幾何定位，它基于信號(hào)本身的統(tǒng)計(jì)特性或NLOS誤差。

三邊測(cè)量法是基于測(cè)距的定位算法中計(jì)算坐標(biāo)的基本途徑。常用的測(cè)距技術(shù)有TDOA AO ，RSSI和TOA。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位在計(jì)算模式上可分為分布式和集中式。分布式定位是把定位過(guò)程分布到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，直接進(jìn)行自身位置估計(jì)。分布式定位中每個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗相對(duì)均勻，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)的連通性得到保證。算法的可擴(kuò)展性好；集中式定位從全局的角度出發(fā)，收集信息到中心節(jié)點(diǎn)統(tǒng)籌規(guī)劃。其主要優(yōu)點(diǎn)是普通節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)擔(dān)小，可以獲得相對(duì)精確的位置估計(jì)。但通信開銷比較大，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不連通性，當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)能量失效時(shí)，需要進(jìn)行新節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)充，集中式定位算法需要重新收集節(jié)點(diǎn)信息，使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成通信開銷的浪費(fèi)，可擴(kuò)展性差。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位按照節(jié)點(diǎn)定位的先后次序不同，又可分為遞增式和并發(fā)式定位。遞增式定位從錨節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)開始，各個(gè)節(jié)點(diǎn)依次向外延伸定位，它存在著誤差累積的問(wèn)題，并且隨機(jī)拋灑的節(jié)點(diǎn)間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不好控制，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位覆蓋率不高。并發(fā)式定位主要應(yīng)用在小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)要求參考節(jié)點(diǎn)具有較大的通信范圍，同時(shí)進(jìn)行位置計(jì)算，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大時(shí)，較多采用遞增式定位方法。

總之，目前的定位算法仍需要較高的錨節(jié)點(diǎn)密度、存在定位精度不高、高通信負(fù)載和計(jì)算過(guò)于復(fù)雜等問(wèn)題。為適用大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的分布式定位算法具有較少的通信代價(jià)和計(jì)算代價(jià)，能有效利用多跳錨節(jié)點(diǎn)的位置信息。

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