基于無線傳感器網(wǎng)絡的無線定位算法研究

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡在當前有廣泛應用。在無線傳感器網(wǎng)絡中，無線定位技術必不可少，將數(shù)據(jù)的收集、處理與傳輸形成了有效的整體，使定位的結果更加精確。文章在研究了多種的無線定位技術的基礎上，對三角形質心定位算法進行了分析與仿真，通過同三邊定位法和質心算法進行對比說明了基于測距和基于不測距定位算法的特點。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；無線定位算法；三角形質心算法；數(shù)據(jù)收集；仿真實驗 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP368 文章編號：1009-2374（2017）02-0021-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.010

無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和無線通信技術、片上系統(tǒng)與微機電系統(tǒng)密不可分，是一種高科技含量的新型技術。從本質上來看，無線傳感器網(wǎng)絡是一種分布式的傳感網(wǎng)絡，它和外部的傳感器相連，進而實現(xiàn)傳感器的資源共享。另外，無線傳感器網(wǎng)絡的設置也較為靈活，可以分為有線和無線兩種方式。無線傳感器網(wǎng)絡可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、處理和傳輸，集合了現(xiàn)代化信息技術的核心，在多個領域都有廣泛的應用。

無線定位是無線傳感器網(wǎng)絡的核心技術，它是主要的數(shù)據(jù)提供者，對整個無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展有著重要作用。無線定位突破了傳統(tǒng)定位技術的限制，將定位的精確性也大幅度提升，因而無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展在某種程度上取決于無線定位技術的成熟性。以目前的定位技術而言，它的算法有很多，以不同的參考量為依據(jù)，然后用數(shù)學的方式求出最終定位結果。不同的算法選擇有不同的效果，需要的技術支持也不相同。

1 無線定位算法

無線定位算法的基本原理是：通過電波等無線通信手段，就可以對節(jié)點進行定位，之后利用網(wǎng)絡的計算技術進行位置的修正。其實，無線定位算法的方法有很多，但是以數(shù)學為基礎的，有的以幾何為基礎的，有的以數(shù)據(jù)分析為基礎，通過距離的計算，實現(xiàn)目標的定位。具體而言，無線定位的算法有兩種：一種是根據(jù)測量的角度和距離定位；另一種是與測量無關的定位。

基于測距的定位機制是根據(jù)目標的位置建立相應的坐標系，然后計算其相鄰節(jié)點的距離和角度。有了這些基本的信息，就可以根據(jù)三點確定一個平面，在平面中尋找相應的幾何關系，最終得出想要的坐標。在基于距離的定位過程中，方法有很多，有的是以信號的時間為定位基準，有的是以地區(qū)為計算的基礎。不同的算法有不同的利弊，需要根據(jù)自身的需求做出合理的選擇。

基于測量距離和角度的算法缺點在于：它對單個傳感器節(jié)點的設計有更高的要求，這就增加了傳感器節(jié)點的能耗與造價，而且這種算法的計算量較大，消耗的成本也更大，時間也較長，這就造成了定位系統(tǒng)的反應不夠迅速，無法最快地提供定位服務。但是，這種算法的精確性較高，提供的數(shù)據(jù)更有參考價值，可以讓無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理結果最接近真實值。

基于不測距的定位算法基本原理是通過網(wǎng)絡節(jié)點間傳輸?shù)倪B通信息，利用節(jié)點構成的幾何圖形的特征來描述未知節(jié)點的位置狀態(tài)，進而給出近似的定位信息。這種定位雖然不夠精確，但是可以最快地給出定位結果，把定位的過程簡化，快速為無線傳感器網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)。在一些特定的場合中，無線傳感器網(wǎng)絡需要快速反應，對結果的精確性要求并不高，這就可以選擇不測距的定位算法。

基于不測距的定位算法利用通信協(xié)議在獲得節(jié)點間傳輸?shù)男畔⑦M行定位，合理地利用了網(wǎng)絡通信的帶寬，并且體現(xiàn)了分布式算法的設計思想，分散了節(jié)點的計算負擔，降低了網(wǎng)絡的設計成本和能耗，延長了無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期，最終獲得較高的性價比。但從原理上講，基于不測距的定位算法是通過比較粗燥的幾何特征進行定位判定，相對基于直接測距的定位算法而言，它無法達到準確定位，而只能通過設計更完善的判定機制去更接近準確。

2 基于RSSI的三角形質心定位算法

在基于測距定位算法簡單基礎上，引入基于不測距定位算法中用幾何特征判定定位特征的思想，可以用來降低由于測距不精確而帶來的定位誤差?；谶@個思路，本文將RSSI測距技術、三邊定位算法和質心定位算法相結合，提出了一種基于RSSI的三角形質心定位算法并仿真實現(xiàn)。

2.1 基于RSSI的測距技術

基于RSSI的測距技術利用到了信號的衰減，其本質上是計算電波功率的衰減量，然后根據(jù)衰減量來計算節(jié)點之間的距離，最終實現(xiàn)定位。

理論模型即信號衰減與傳播距離之間的關系式

如下：

（1）

式中：表示節(jié)點接收信號功率，單位為；表示參考節(jié)點發(fā)射的信號功率；表示路徑長度和路徑損耗的比率，根據(jù)環(huán)境介質一般取值為2～5；表示參考節(jié)點與基站之間的距離；即為未知節(jié)點到基站之間的距離。

在實際應用中，很多因素會影響到信號的傳播，例如多徑和非視線傳播等造成的信號傳播模型復雜化，這就使得RSS傳遞的信號不穩(wěn)定，存在的誤差較大。因為實際環(huán)境的復雜性，換算出的錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離總是大于實際兩節(jié)點間的距離。

2.2 三邊定位與質心定位結合的定位算法

如圖1（a）所示，錨節(jié)點A、B、C，未知節(jié)點D，根據(jù)模型計算出的節(jié)點A和D的距離，節(jié)點B和D的距離，節(jié)點C和D的距離。分別以A、B、C為圓心，、、為半徑畫圓，可得交疊區(qū)域。這里的三角形質心定位算法的核心思想是：計算三圓交疊區(qū)域的三個交點的坐標，以這三個交點為三角形的定點，求得這個三角形的質心作為待定位節(jié)點的位置。

（a） （b）

圖1 三角形質心定位算法

如圖1（b）所示，交點為E、F、G。其中，交點E坐標的計算方法為：

（2）

同理，亦可得到F、G兩點坐標、。

此時，根據(jù)質心定位算法的計算原理可得待定位節(jié)點的估計坐標為：

（3）

由仿真可知，在圖1（b）中，實際點為D，三角形質心算法得出的估計點為M，三邊測量法得出的估計點為N。在本例中可以看出，三角形質心算法的準確度更高。

3 仿真實驗

3.1 實驗方法及策略

仿真過程的主要步驟為：常量設定；布設傳感器網(wǎng)絡；向網(wǎng)絡中放入目標節(jié)點；目標探測周圍環(huán)境（或網(wǎng)絡搜索目標）；質心算法定位；三邊定位法定位；三角形質心算法定位。

在仿真程序設計中，主要涉及Range（網(wǎng)絡場地）、Sensor（錨節(jié)點）、Target（目標節(jié)點）等對象，使用這些對象所包含的變量及變量數(shù)組完成對算法的仿真。

實際情況下，傳感器網(wǎng)絡單個節(jié)點的布設存在隨機性，但總體上滿足一定的分布規(guī)律。設計仿真程序時采用的策略是，根據(jù)需要在網(wǎng)絡中布設傳感器的數(shù)量將整個網(wǎng)絡的覆蓋區(qū)域分成網(wǎng)格狀，在每個小格的區(qū)域內隨機“投”下一個錨節(jié)點。當傳感器網(wǎng)絡布設完畢后，錨節(jié)點的坐標隨之確定（本設計不涉及錨節(jié)點自定位問題）。目標節(jié)點的出現(xiàn)的位置也是隨機的，但可預知在一定范圍內，在網(wǎng)絡布設時就要使得網(wǎng)絡覆蓋范圍包含這個目標節(jié)點可能出現(xiàn)的區(qū)域。設計仿真程序時采用的策略是，選取網(wǎng)絡覆蓋范圍中部一塊較大的區(qū)域，在這個區(qū)域內隨機“投”下目標節(jié)點。目標節(jié)點的坐標作為后臺數(shù)據(jù)不直接參與定位計算。

對網(wǎng)絡感知目標及測距過程的仿真采用的是電波擴散及損耗模型，即：錨節(jié)點上的傳感器對目標所發(fā)出的特征信號進行離散采樣以便于數(shù)字化計算，在一個采樣周期中，電波的擴散距離的增量為電波在介質中的傳播速度與采樣周期的乘積。每過一個采樣周期，檢測一次以當前擴散距離為半徑的圓范圍內是否有新的錨節(jié)點被覆蓋。當覆蓋到足夠多的錨節(jié)點時，就可以終止這個過程。

需要說明的是，定位計算過程所使用的測得待定位節(jié)點到錨節(jié)點之間的距離不是在電波擴散計算中的準確距離，而是在準確距離的基礎上，根據(jù)RSSI測距技術“換算出的錨節(jié)點到未知節(jié)點的距離總是大于實際兩節(jié)點間的距離”的原則，引入接收電波信號強度以單邊高斯分布的測量誤差之后所得到的測量距離。同時還應考慮到目標節(jié)點的輻射能力應在一個不大的范圍內，這個限制也可以成為感應過程終止的一個判定條件。故在布設網(wǎng)絡時就應該保證一定的錨節(jié)點密度，以減少在目標節(jié)點輻射范圍內覆蓋不到足夠的錨節(jié)點的情況。

3.2 實驗結果分析

每“投”入一次目標節(jié)點就進行一次定位計算，將計算結果保存。重復若干次實驗，取得較多的仿真數(shù)據(jù)用于分析。圖2、圖3和圖4分別給出了上述幾種定位方法的實驗效果圖，圖5、圖6和表1則分別從定性和定量的角度對比了它們的性能差異。分析下述結果可知：使用質心算法定位方法計算量小，但是精度不高；使用最小二乘法進行三邊定位和三角質心算法定位的方式精度相近，均較高，但三角質心定位算法由于不需要十分精確的測距，實現(xiàn)成本較低，故優(yōu)于三邊定位算法。三角形質心定位算法實現(xiàn)難度與成本較低，但可獲得較高的定位精度，是一種較好的定位算法。

圖2 三邊極大似然估計定位 圖3 質心算法定位

圖4 三角形質心算法定位 圖5 三種定位算法對比示意圖

圖6 三種定位方式定位誤差示意圖

表1 三種定位方式定位誤差匯總表

4 結語

無線傳感器網(wǎng)絡的核心就是定位技術，所以要保證無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)反映準確性，必須從提高定位技術精確性入手。定位算法的選擇對定位的結果有較大影響，不同的環(huán)境對數(shù)據(jù)收集的效果也有不同的要求，需要根據(jù)實際情況做合理的選擇。本文在多種的無線定位技術的基礎上，對三角形質心定位算法重點進行了分析與仿真，用數(shù)據(jù)來說明無線定位技術各種算法的利弊，希望給定位技術的發(fā)展提供一定的參考意見，進而加快無線傳感網(wǎng)絡的研究與應用，擴大其使用的范圍。

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作者簡介：周明江（1965-），男，山東青島人，蘇州東奇信息科技股份有限公司高級工程師，研究方向：視頻處理、信號與信息處理。

（責任編輯：黃銀芳）