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通信与网络：无线传感器网络定位技术

通信与网络：无线传感器网络定位技术
在很多无线传感器网络应用中，没有节点位置信息的监测信息往往毫无意义。当监测到事件发生时，关心的一个重要问题就是该事件发生的位置，如森林火灾监测，天然气管道泄漏监测等。这些事件的发生，首先需要知道的就是自身的地理位置信息。定位信息除了用来报告事件发生的地点外，还可用于目标跟踪、目标轨迹预测、协助路由以及网络拓扑管理等。

　　常见的定位技术如全球定位系统（globe positionsystem，GPS）是目前应用*广的、*成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距来对用户节点进行定位，具有较高的定位精度，实时性较好，抗干扰能量强。但是，使用GPS技术定位只适合于视距通信的场合，即室外无遮挡的环境，用户节点通常能耗高、体积大且成本也较高，还需要固定基础设施等，这不太适合低成本自组织无线传感器网络。另外，机器人领域采用的定位技术也与无线传感器网络的定位技术不同，尽管二者非常相似，节点都具有自组织和移动特性，但是机器人节点数量少，节点能量充足且携带**的测距设各，这在一般的能量受限的无线传感器网络中很难满足类似的条件。由于资源和能量受限的无线传感器网络对定位的算法和定位技术都提出了较高的要求。因此，无线传感器网络的定位技术或定位算法通常需要具各以下重要特征：自组织特性，节点可能随机分布或人工部署ﴛ能量高效特性，尽量采用低复杂度的定位算法，减少通信开销，延迟网络寿命ﴛ分布式计算特性，各个节点都计算自己的位置信息ﴛ鲁棒性，可能监测数据有误差，要求定位算法具有良好的容错性ﴛ节点位置计算的常用方法。

　　1．定位的基本方法

　　（1）三边测量法（trilateration）

　　如图1所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它们到未知节点D的距离分别为da，db，dc，假设节点D的坐标为（x，y），则存在如（6．2）所示公式：

　　图1 三边测量法示意图

　　有式（6．2）可以得到节点D的坐标为：

　　（2）三角测量法（triangulation）

　　如图2所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），节点D相对于节点A、B、C的角度分别为：†ADB，†ADC，†BDC，假设节点D的坐标为（x，y）。对于节点A和C以及†ADC，如果AC在△ABC内，则**能够确定一个圆，设圆心为O1（xo1，yo1），半径为r1，则α＝†AO1C＝（2π—2†ADC），并存在如式（6．4）所示公式：

　　图2 三角测量法示意图

　　由式（6.4）就能够确定圆心O1的坐标和半径r1。同理，可以确定相应的圆心和半径。*后根据三边测量法，由点D（x，y），O1（xo1，yo2），O2（xo2，yo2），O3（xo3，yo3）确定D点的坐标。

　　（3）极大似然估计法

　　极大似然估计法示意图如图3所示。

　　图3 极大似然估计示意图

　　已知1，2，3，…等n个节点的坐标分别为（x1，y1），（x2，y2），…（xn，yn）。它们到节点D的距离分别为d1，d2，…，dn，假设D的坐标为（x，y），则有

　　从式（6．5）中**个方程开始分别减去*后一个方程得到D点坐标。

　　2．定位算法的分类

　　（1）基于距离定位和距离无关的定位算法

　　根据是否需要测量实际节点间的距离将定位算法分为基于距离定位和与距离无关的定位算法。前者需要测量相邻节点间的距离或方位，并利用实际测得距离来计算未知节蕉的位置。后著毫利用节点间的估计距离来计算节点的位置。

　　利用标准的*小均方误差估计法，可以求得节点D的坐标为：

　　（2）递增式定位算法和并发式定位算法

　　根据节点定位先后次序不同，将定位算法分为递增式定位算法和并发式定位算法。前者通常是从信标节点开始，先对信标节点附近的节点开始定位，依次向外扩展延伸，对各个节点逐次进行定位，这类算法的一个缺陷就是造成定位过程中测量误差的累积，从而影响定位精度。后者是指所有节点同时进行位置的计算。

　　（3）基于信标节点定位和无信标节点辅助的定位算法

　　根据定位过程中是否使用信标节点将定位算法分为基于信标节点的定位算法和无信标节点辅助的定位算法。前者以信标节点作为定位中的参考点，各个节点定位后产生整体的**坐标系统。后者只需知道节点之间的相对位置，定位过程中无须信标节点的参与辅助，各个节点先以自身作为参考点，然后将邻居节点纳入自己的坐标系统，相邻的坐标系统依次合并转换，*后产生整体的相对坐标系统，从而完成定位任务。

　　随着无线传感器网络应用和定位技术研究的深入，一些新的定位技术和方法也应运而生，如基于相对部署位置的定位方法、基于**的地理信息定位方法以及基于UWB超宽带技术的定位方法等。加上无线传感器网络应用千差万别，没有普遍适应的定位方法和技术。

　　因此，必须根据不同的应用特点和环境状况，选择合适的定位算法和技术，才能满足用户特定的应用需求。

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