基于數(shù)據(jù)融合的無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)研究

趙建光

（河北建筑工程學院，河北 張家口075000）

0 引 言

位置信息是重要的環(huán)境參數(shù)，在傳感網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域中，不僅要感知采集周邊環(huán)境的溫度、濕度、光照度、速度等物理參數(shù)，而且需要感知采集節(jié)點的地理位置參數(shù)，如經(jīng)度、緯度、高度，因此位置信息成為感知參數(shù)中的比較重要的參數(shù).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位問題的含義是指自組織的網(wǎng)絡(luò)通過特定方法提供節(jié)點的位置信息.定位技術(shù)是無線傳感網(wǎng)的重要支撐技術(shù)之一，因此，開展定位技術(shù)的研究非常有必要.

1 定位技術(shù)分類

定位技術(shù)分為很多類，最常用的是衛(wèi)星定位，如中國自主研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)BDS（BeiDou Navigation Satellite System）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS（Global Positioning System）全球定位系統(tǒng).傳感網(wǎng)工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常需要散布大規(guī)模的節(jié)點，節(jié)點數(shù)量龐大，經(jīng)常采用空投的方式布置節(jié)點，如果每個節(jié)點都配備BDS或GPS來定位，成本太高，因此，經(jīng)常為少數(shù)節(jié)點配置BDS或GPS模塊，以實現(xiàn)定位，其它節(jié)點通過這些節(jié)點實現(xiàn)間接定位.

根據(jù)不同的分類依據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)可以進行如下分類：

（1）根據(jù)是否依靠測量距離，分為基于測距的定位和不需要測距的定位；

（2）根據(jù)部署的場合不同，分為室內(nèi)定位和室外定位；

（3）根據(jù)信息收集的方式，網(wǎng)絡(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動定位，節(jié)點主動發(fā)出信息，用于定位稱為主動定位.

2 定位技術(shù)常用術(shù)語

定位技術(shù)常用術(shù)語有：錨點、測距、連接度、鄰居節(jié)點、跳數(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、到達時間、到達時間差（TDoA）、接收信號強度指示（RSSI）、到達角度（Angle of Arrival，AoA）、視線關(guān)系（Line of Sight，LoS）、非視線關(guān)系等.

（1）錨點：傳感網(wǎng)絡(luò)中坐標已知的節(jié)點，坐標通常通過衛(wèi)星定位獲得.

（2）測距：測距節(jié)點與已知節(jié)點即錨點之間的距離.

（3）連接度：節(jié)點可通信的最大節(jié)點數(shù).

（4）鄰居節(jié)點：相鄰的節(jié)點.

（5）跳數(shù)：從一個節(jié)點到達另一個節(jié)點所經(jīng)歷的路徑數(shù)，與路由中跳數(shù)的概念類似.

（6）基礎(chǔ)設(shè)施：網(wǎng)絡(luò)運行所需的基礎(chǔ)設(shè)施.

（7）到達時間：通信信號從一個節(jié)點到達另一個節(jié)點的時間.

（8）到達時間差（TDoA）：通信信號從開始發(fā)射到接受所經(jīng)歷的時間差.

（9）接收信號強度指示（RSSI）：節(jié)點通過判斷接收到的無線信號的強度測定源節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離，進而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進行定位.

（10）到達角度（Angle of Arrival，AoA）：節(jié)點中多個接收機接受無線信號時，接收機的接受角度.

（11）視線關(guān)系（Line of Sight，LoS）：如果兩個節(jié)點可以直接通信，即兩個節(jié)點再彼此的通信范圍之內(nèi)，稱這兩個節(jié)點存在視線關(guān)系.

（12）非視線關(guān)系：兩個節(jié)點不在彼此的通信范圍之內(nèi)，稱這兩個節(jié)點存在非視線關(guān)系.

3 無線傳感網(wǎng)常用測距方法

在已知點坐標的基礎(chǔ)上，通過測量距離，利用解析幾何的計算方法可求的未知節(jié)點坐標.測距成為確定未知節(jié)點位置的重要環(huán)節(jié)，基于測距的定位技術(shù)是通過測量節(jié)點之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置.常用的測距方法有RSSI測距和到達時間差測距.

（1）接收信號強度指示（RSSI）測距

無線信號接收強度指示與信號傳播距離之間存在一定的數(shù)量關(guān)系，關(guān)系曲線如圖1所示：

圖1 RSSI與距離之間的關(guān)系曲線

從圖中可以看出，隨著傳播距離的增大，無線信號強度逐漸減弱，近似滿足對數(shù)曲線.可根據(jù)RSSI的值求得兩個節(jié)點之間的距離值.

（2）到達時間差測距

這類方法通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，精度較好.ToA機制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離.測距原理圖如圖2所示.

圖2 基于時間差的測距原理圖

4 基于測距的定位方法

在以上兩種測方法的基礎(chǔ)上，可采用的定位技術(shù)有多邊定位及Min－Max定位方法.本文主要介紹并改進多邊定位技術(shù).

（1）多邊定位法

基于距離測量（如RSSI、ToA／TDoA）的結(jié)果，再利用錨點的坐標即可確定未知節(jié)點的坐標實現(xiàn)定位，該方法稱為多變定位.至少具有三個節(jié)點至錨點的距離值，確定三維坐標，則需四個此類測距值.求解方程如下：

Ax＝b，

其中：

（2）多邊定位法的利弊及改進

在無線傳感網(wǎng)中，節(jié)點的能量通常由2節(jié)干電池供電，能量有限，采用以上的計算方法精度高，但耗費了大量的能量，縮短了節(jié)點壽命.在無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用中往往不需要如此高的精度，只需近似的位置坐標即可，針對這種情況，可采用現(xiàn)將多點坐標進行數(shù)據(jù)的融合，融合至最小工作集坐標數(shù)，再進行求解，可大大降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計實現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)融合的多變定位方法，采用將多點坐標進行數(shù)據(jù)融合，融合至最小工作集坐標數(shù)，再進行求解，經(jīng)試驗，可大大降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命.

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