詳解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

　　1 引 言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、入侵監(jiān)測及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而， 無論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測， 還是交通路況監(jiān)測或醫(yī)療衛(wèi)生中對(duì)病人的跟蹤等應(yīng)用場合， 很多獲取的監(jiān)測信息需要附帶相應(yīng)的位置信息， 否則， 這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時(shí)候會(huì)失去采集的意義， 因此網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)自身位置信息的獲取是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。首先， 傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和跟蹤； 其次， 了解傳感器節(jié)點(diǎn)的位置分布狀況可以對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的路由效率提供幫助， 從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)配置， 改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。因此， 必須采取一定的機(jī)制或算法來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的定位。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位最簡單的方法是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS） 接收器， 用以確定節(jié)點(diǎn)位置。但是， 由于經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)點(diǎn)能量制約和GPS 對(duì)于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制， 導(dǎo)致方案的可行性較差。因此， 一般只有少量節(jié)點(diǎn)通過裝載GPS 或通過預(yù)先部署在特定位置的方式獲取自身坐標(biāo)。另外， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位涉及很多方面的內(nèi)容， 包括定位精度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、錨節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性以及功耗等， 如何平衡各種關(guān)系對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題非常具有挑戰(zhàn)性�？梢哉f無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位問題在很大程度上決定著其應(yīng)用前景。因此， 研究節(jié)點(diǎn)定位問題不僅必要， 而且具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　2 WSN 定位技術(shù)基本概念

　　2.1 定位方法的相關(guān)術(shù)語

　　1） 錨節(jié)點(diǎn)（anchors）： 也稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、燈塔節(jié)點(diǎn)等， 可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)；

　　2） 普通節(jié)點(diǎn)（normal nodes）： 也稱為未知節(jié)點(diǎn)或待定位節(jié)點(diǎn)， 預(yù)先不知道自身位置， 需使用錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并運(yùn)用一定的算法得到估計(jì)位置的節(jié)點(diǎn)；

　　3） 鄰居節(jié)點(diǎn)（neighbor nodes）： 傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)；

　　4） 跳數(shù)（hop count）： 兩節(jié)點(diǎn)間的跳段總數(shù)；

　　5） 跳段距離（hop distance）： 兩節(jié)點(diǎn)之間的每一跳距離之和；

　　6） 連通度（connectivity）： 一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目；

　　7） 基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）： 協(xié)助節(jié)點(diǎn)定位且已知自身位置的固定設(shè)備， 如衛(wèi)星基站、GPS 等。

　　2.2 定位方法的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要分為7 種， 下面分別進(jìn)行介紹。

　　1） 定位精度。定位技術(shù)首要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是定位精確度， 其又分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是測量的坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏差， 一般用長度計(jì)量單位表示。相對(duì)誤差一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)無線射程的比例表示， 定位誤差越小定位精確度越高。

　　2） 規(guī)模。不同的定位系統(tǒng)或算法也許可以在一棟樓房、一層建筑物或僅僅是一個(gè)房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。

　　另外， 給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或一段時(shí)間， 一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

　　3） 錨節(jié)點(diǎn)密度。錨節(jié)點(diǎn)定位通常依賴人工部署或使用GPS 實(shí)現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點(diǎn)的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制， 還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。而使用GPS 定位， 錨節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用會(huì)比普通節(jié)點(diǎn)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)， 這意味著即使僅有10%的節(jié)點(diǎn)是錨節(jié)點(diǎn)， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格也將增加10 倍， 另外， 定位精度隨錨節(jié)點(diǎn)密度的增加而提高的范圍有限， 當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后不會(huì)再提高。因此， 錨節(jié)點(diǎn)密度也是評(píng)價(jià)定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。

　　4） 節(jié)點(diǎn)密度。節(jié)點(diǎn)密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點(diǎn)密度的影響。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加， 而且會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。

　　5） 容錯(cuò)性和自適應(yīng)性。定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

　　而真實(shí)環(huán)境往往比較復(fù)雜， 且會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效或節(jié)點(diǎn)硬件受精度限制而造成距離或角度測量誤差過大等問題， 此時(shí)， 物理地維護(hù)或替換節(jié)點(diǎn)或使用其他高精度的測量手段常常是困難或不可行的。因此， 定位系統(tǒng)和算法必須有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性， 能夠通過自動(dòng)調(diào)整或重構(gòu)糾正錯(cuò)誤， 對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障管理， 減小各種誤差的影響。

　　6） 功耗。功耗是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量有限， 因此在保證定位精確度的前提下， 與功耗密切相關(guān)的定位所需的計(jì)算量、通信開銷、存儲(chǔ)開銷、時(shí)間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標(biāo)。

　　7） 代價(jià)。定位系統(tǒng)或算法的代價(jià)可從不同的方面來評(píng)價(jià)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統(tǒng)的安裝時(shí)間、配置時(shí)間、定位所需時(shí)間； 空間代價(jià)包括一個(gè)定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價(jià)則包括實(shí)現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用。

　　上述7 個(gè)性能指標(biāo)不僅是評(píng)價(jià)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的標(biāo)準(zhǔn)， 也是其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的優(yōu)化， 有大量的研究工作需要完成。同時(shí)， 這些性能指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)， 必須根據(jù)應(yīng)用的具體需求做出權(quán)衡以設(shè)計(jì)合適的定位技術(shù)。