無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究

謝聰

（湖南國防工業(yè)職業(yè)技術學院 湖南省湘潭市 411207）

無線傳感器網(wǎng)絡屬于一種融合性技術，其是對信息處理技術、傳感技術、網(wǎng)絡通信技術等相關技術的融合，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境、空間的實時監(jiān)測目標，同時也能夠完成數(shù)據(jù)信息收集、節(jié)點定位等任務，目前已在多個領域中廣泛推廣及應用，包括軍事領域、交通領域等。

1 無線傳感網(wǎng)絡定位技術

相關研究人員在對該技術進行研究的過程中，依據(jù)不同的分類標準能夠分成較多類別。將測量的數(shù)據(jù)信息當做依據(jù)，能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)信息分成：測距定位以及非測距定位。

1.1 測距定位技術

可以將該技術細致地劃分，依照時間需要劃分成：TOA--信號傳輸時間模式與TDOA--信號傳輸時間差模式。TOA 模式關鍵是依照信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，實現(xiàn)對傳播距離的精準測定，并據(jù)此進行準確定位。同時，該種模式也被劃分為不同的算法，即單程測距、雙程測距[1]。對于前者，各個節(jié)點需要保障時間具有較高的同步性，一旦不能同步，那么則會導致定位不準確；對于后者，其并不會受到時間是否同步的影響，即使在時間節(jié)點上有差異，也能夠?qū)崿F(xiàn)最終的準確定位目標，但是，要保證本地的時間足夠精準，若是本地的時間出現(xiàn)錯誤，將會對差距精準性影響，導致定位結(jié)構不夠精準，影響到工作后續(xù)的推進。

TDOA 模式作為TOA 模式的革新與升級，其是對現(xiàn)代技術的充分利用，實現(xiàn)對信號的準確接收和傳送，而在此過程中，通過對兩個節(jié)點之間信號時間差的測量，即可完成對節(jié)點間距進行精準計算，從而保障定位的精準度與高效性。加之，還有運用達到的角度對測距精準地定位類AOA 技術--到達角度測距技術。但是需要注意，在對AOA 技術進行利用的過程中，需要技術人員能夠依據(jù)陣列天線將未知的錨節(jié)點與節(jié)點夾角等相關數(shù)據(jù)精準地測量出，而后在開展精準測距。

但是陣列的天線在施工與建設的時候所需投入的成本相對較高，與此同時，在運用內(nèi)信號數(shù)據(jù)傳播將會被電磁波以及非視距各類因素共同干擾，導致最終測量的結(jié)果并不是很準[2]。另外，在使用相關測距定位技術時，需要相關測量人員能夠重視節(jié)點具體坐標的計算，以此確保定位精準。最后，在對未知性錨點與節(jié)點間角度數(shù)據(jù)信息與距離數(shù)據(jù)獲得之后，可運用的計算坐標方式包含：

1.1.1 三邊定位方式

在采用該種方式進行定位的過程中，對未知階段的要求相對較高，需要知道其四周已有具有坐標的三個錨節(jié)點。在此基礎上，技術人員通過對距離與坐標之間的計算公式，實現(xiàn)對未知坐標節(jié)點具體坐標的準確計算，以便于對目標進行精準地定位。該類方式對測量距離精準度需求不高，技術工作人員所示測量不夠精準也不會導致定位精準度出現(xiàn)誤差與下降狀況。

如圖1 所示，已知A、B、C 三個節(jié)點的坐標分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它們到未知節(jié)點D 的距離分別為da，db，dc，假設節(jié)點D 的坐標為（x，y）。

圖1：三邊測量法示意圖

圖2：三角測量法示意圖

1.1.2 三角定位方式

該種方式于AOA技術內(nèi)依據(jù)對有關角度數(shù)據(jù)信息的準確測量，實現(xiàn)對未知性節(jié)點坐標的確定。同時，該種技術對未知階段的要求也比較高，需要至少三個已知坐標的錨節(jié)點，除此以外還需要其中的任意兩個都可以與未知性節(jié)點共同確定出一個圓，從而獲得三個圓。而后運用已知的角度與坐標，將三個圓中圓心位置與半徑數(shù)據(jù)進行獲得。再把其轉(zhuǎn)變成三邊定位，最后運用三邊定位模式，將未知的各個節(jié)點坐標精準求出，進一步的進行定位。

如圖2 所示，已知A、B、C 三個節(jié)點的坐標分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），節(jié)點D 相對于節(jié)點A、B、C 的角度分別為：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假設節(jié)點D 的坐標為（x，y）。對于節(jié)點A 和C 以及∠ADC，如果AC 在△ABC 內(nèi)，則唯一能夠確定一個圓，設圓心為O1（xo1，yo1），半徑為r1，則α=∠AO1C=（2π—2∠ADC）。

1.1.3 多邊定位方式

縱然運用三個錨節(jié)點就能夠?qū)⑽粗母鱾€節(jié)點坐標信息數(shù)據(jù)計算出，已達到地位的目的。但，若是可以對未知的各個節(jié)點四周眾多錨節(jié)點坐標確定，就可以提升計算的精準度，提升定位的高效性與精準性，這就是多變定位的具體思路。

1.2 非測距定位技術

該種技術主要是一類不需要對開展節(jié)點之間距離或角度進行準確測量，即可在知道錨節(jié)點的有關信息與網(wǎng)絡所具有的連通性質(zhì)基礎上，實現(xiàn)對未知節(jié)點位置準確估測的目標。目前，在對該技術進行應用的過程中，較為常見的有以下幾種：

1.2.1 質(zhì)心定位技術

該類技術能夠顯著的降低無線傳感網(wǎng)絡定位過程中所需要投入的成本，只要在網(wǎng)絡連通的狀態(tài)下，即可實現(xiàn)對未知節(jié)點的定位目標。技術人員在采用該技術進行定位時，可分成三步實現(xiàn)對未知節(jié)點的定位：

（1）對錨節(jié)點的特性進行利用，這些錨節(jié)點會向與其相聯(lián)系的節(jié)點傳送信息數(shù)據(jù)集合，其中就包括自身的坐標。

（2）未知節(jié)點在接收到相應信息數(shù)據(jù)后，會遵循自身的閾值對數(shù)據(jù)進行整理和判斷，并將有效數(shù)據(jù)信息精準地記錄下。

（3）各個未知的節(jié)點估值坐標作為他臨近錨點所形成二維圖形的中心。

除此以外，在此過程中，如果各錨節(jié)點的分布相對規(guī)律，那么將會大大提升對未知節(jié)點定位的準確度。

1.2.2 DV-hop 定位技術

對于該種技術，主要是對通信跳數(shù)的充分利用，實現(xiàn)對位置節(jié)點的精準定位。所以，該種定位技術較為方便，只需要技術人員能夠?qū)⑾嚓P通信跳數(shù)準確記錄下來即可。不過，也需要技術人員注意一些問題，采用該種技術并不能實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)眾多錨節(jié)點在分布不夠均勻狀況下，加之，對邊界的各個節(jié)點運用效果更是不是非常地理想。該種定位技術實現(xiàn)需要經(jīng)歷以下幾個步驟：

（1）全部節(jié)點于通信的范圍之中往其他的節(jié)點中精準地將自身坐標、標號發(fā)送出，將兩節(jié)點間跳數(shù)數(shù)據(jù)信息發(fā)送出。各個節(jié)點所接收到的數(shù)據(jù)信息之后，將會把自身拋出，并且會對其他節(jié)點中的信息進行有效儲存。

（2）通過對所儲存的信息進行分析，可以準確地將各錨節(jié)點之間距離計算出來。

（3）利用節(jié)點之間所存在的最小跳數(shù)，即可完成對每跳間平均距離的準確計算。

（4）相關技術人員通過上述操作，即可完成對未知節(jié)點與錨節(jié)點間距的準確計算目的，確保未知節(jié)點計算的精準性。

1.2.3 APIT 定位技術

該種技術還有另一個名字，即近似三角形內(nèi)點測試方法。在采用該種技術方式進行未知節(jié)點定位時，主要是讓錨節(jié)點將有效地數(shù)據(jù)信息傳遞到周圍未知節(jié)點中；其次，對這些數(shù)據(jù)信息進行整理，將與未知節(jié)點關聯(lián)并不大的錨節(jié)點剔除掉，使得定位范圍變??；最后，當未知節(jié)點接收到一定數(shù)量的信息數(shù)據(jù)后，關聯(lián)大的各錨節(jié)點會形成多個三角形區(qū)域。

經(jīng)過上述一系列處理后，相關技術人員可準確判斷出未知節(jié)點是否處于其中，并據(jù)此找到準確位置。

2 無線傳感網(wǎng)絡定位技術性能評價

相關技術人員在進行定位的過程中，所采用的無線傳感網(wǎng)絡定位技術不計其數(shù)，不過都是依照定位的具體需求與實際狀況和條件，對技術具體運用性能精準評價，從而選取出最佳的、最適用的定位技術。在對性能進行評價的環(huán)節(jié)中，需要依照下面幾點標準：

2.1 精準度

關于該標準，可以說是對該種定位技術性能評價的黃金指標，如果所采用的技術無法滿足該標準，那么就算能夠滿足其他的相關標準，也失去了“定位”的真正意義。

除此以外，在驗證所用技術是否滿足該標準時，主要是對誤差具體數(shù)值與節(jié)點無線射程之間的比例進行確定。

2.2 規(guī)模

該種技術在節(jié)點時間中可以對一定范圍中幾個目標實施定位，也是性能評價中的關鍵性性能數(shù)據(jù)指標，需要依據(jù)對未知節(jié)點定位的精準需求，選擇最終的規(guī)模。

2.3 錨節(jié)點密度

在對未知節(jié)點進行定位時，錨節(jié)點是必不可少的因素，輔以GPS 定位或人工定位實現(xiàn)對未知節(jié)點的定位目標。

人工定位會被網(wǎng)絡環(huán)境所影響，導致其可擴展的能力顯著降低。但是GPS 定位將會大幅度地提升網(wǎng)絡使用價值，會對錨節(jié)點密度影響，這就需要技術工作人員依照具體需求進行抉擇。

2.4 節(jié)點密度

節(jié)點密度數(shù)據(jù)指標將會對較多定位模式有影響，提升節(jié)點的數(shù)量不但會將網(wǎng)絡部署投入費用提高，還可能會因為節(jié)點之間的通信量大，導致出現(xiàn)通信沖突，導致網(wǎng)絡出現(xiàn)阻塞。對此，在對定位技術進行選擇的時候，需要依據(jù)實際需求，對節(jié)點密度進行確定，并據(jù)此合理選擇定位技術。

2.5 容錯與自適應

在開展定位工作的過程中，所采用技術中的算法與定位系統(tǒng)對相應因素也有一定要求，尤其是網(wǎng)絡中節(jié)點設備，以及無線通信環(huán)境。另外，還需要注意，在實際定位的過程中，所處環(huán)境并不樂觀，有較多的影響性因素，導致定位出現(xiàn)誤差，造成設備出現(xiàn)失效狀況，而且在環(huán)境與能耗等眾多因素的影響下，替換與維護將難以繼續(xù)。這就需要技術工作人員在對定位技術進行選取的時候，需要對所運用的硬件與軟件進行選擇，確保硬件與軟件容錯性與自適應性，從而提升其環(huán)境使用能力、自動調(diào)整能力與重構與糾錯力，確保精準度可以提升。

2.6 功耗

在進行定位的過程中，所用傳感器的節(jié)點在運行時，也是需要消耗一定能量的，所以還需要注意“功耗”這一標準。因此，為了有效解決電池能量有限這一問題，需要在保障其精準程度的狀況下，不斷加強對低功耗技術的研究。

3 無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的實際應用

上述對無線傳感器網(wǎng)絡定位技術進行了簡單分析，下面以軍事領域?qū)υ摷夹g的實際應用為例，對其進行再度說明：

3.1 智能塵埃

其屬于軍事上對該技術應用的主要儀器，是一個集數(shù)據(jù)收集、定位和信息傳遞等功能于一身的監(jiān)測系統(tǒng)。將其應用于實際軍事中，能夠完成對特定目標的準確定位，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對其的實時監(jiān)測目標。

3.2 SSW系統(tǒng)

對于該系統(tǒng)，其屬于全新類的傳感器網(wǎng)絡。這一系統(tǒng)做功的基礎思路為：在實際應用中，將諸多傳感器放置到戰(zhàn)場中，據(jù)此完成數(shù)據(jù)收集、定位等任務。最后，由該系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)匯總，實現(xiàn)對實際場景的繪制，方便參戰(zhàn)人員對于戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力。

3.3 目標定位

該種方式主要是采用微型傳感器，通過對音頻數(shù)據(jù)信息的收集，實現(xiàn)對目標的定位。但是需要注意，在三維空間內(nèi)，可能會有延遲，所以需要對延遲進行控制。

4 結(jié)束語

綜上所述，在網(wǎng)絡技術大力發(fā)展的背景下，無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的應用也越來越廣泛，并在各個領域發(fā)揮了重要作用，有效彌補了網(wǎng)絡在各領域應用中的不足和缺陷。但是需要注意，無線傳感器網(wǎng)絡定位技術在不同領域、場合應用時，需要相關技術人員能夠?qū)?jié)點的規(guī)模、成本及系統(tǒng)、定位精度等需求進行綜合考慮，并做好相應設計，以此確保無線傳感器網(wǎng)絡定位技術的應用價值得到充分體現(xiàn)。