無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)

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1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)定位即確定方位、確定某一事物在一定環(huán)境中的位置。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位具有兩層意義：其一是確定自己在系統(tǒng)中的位置；其二是系統(tǒng)確定其目標(biāo)在系統(tǒng)中的位置。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息已經(jīng)成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中必不可少的信息之一，很多應(yīng)用場(chǎng)合一旦失去了節(jié)點(diǎn)的位置信息，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)變得毫無(wú)用處，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)已經(jīng)成了眾多科學(xué)家研究的重要課題。2.1基本概念描述在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)定位的需要，隨機(jī)播撒的節(jié)點(diǎn)主要有兩種：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（BeaconNode）和未知節(jié)點(diǎn)（UnknownNode）。通常將已知自身位置的節(jié)點(diǎn)稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)

2、，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以通過攜帶GPS定位設(shè)備（或北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞、或預(yù)置其位置）等手段獲得自身的精確位置，而其它節(jié)點(diǎn)稱之為未知節(jié)點(diǎn)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只占很少的比例。未知節(jié)點(diǎn)以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息來(lái)確定自身位置。傳感器網(wǎng)路的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成如圖2-1所示。圖2-1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)Figure2-1Beaconnodesandunknownnodesofwirelesssensornetwork在圖2-1中，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和數(shù)量眾多的未知節(jié)

3、點(diǎn)組成。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)用B來(lái)表示，它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中占較少的比例。未知節(jié)點(diǎn)用U來(lái)表示，未知節(jié)點(diǎn)通過周圍的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)或已實(shí)現(xiàn)自身定位的未知節(jié)點(diǎn)通過一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自身定位。下面是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一些常用術(shù)語(yǔ)：(1)鄰居節(jié)點(diǎn)（NeighborNodes）：無(wú)需經(jīng)過其它節(jié)點(diǎn)能夠直接與之進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)；(2)跳數(shù)（HopCount）：兩個(gè)要實(shí)現(xiàn)通信的節(jié)點(diǎn)之間信息轉(zhuǎn)發(fā)所需要的最小跳段總數(shù)；(3)連通度（Connectivity）：一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；(4)跳段距離（HopDistance）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔之間最小跳段距離的總和；(5)接收信號(hào)傳播時(shí)間差(TimeDifference

4、ofArrival，TDOA)：信號(hào)傳輸過程中，同時(shí)發(fā)出的兩種不同頻率的信號(hào)到達(dá)同一目的地時(shí)由于不同的傳輸速度所造成的時(shí)間差；(6)接收信號(hào)傳播時(shí)間（TimeofArrival，TOA）：信號(hào)在兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之間傳播所需要的時(shí)間；(7)信號(hào)返回時(shí)間（Round-tripTimeofFlight，RTOF）：信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)后又返回來(lái)的時(shí)間；(8)到達(dá)角度(AngleofArrival，AOA)：節(jié)點(diǎn)自身軸線相對(duì)于其接收到的信號(hào)之間的角度；(9)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(ReceivedSigna1StrengthIndicator，RSSI)：無(wú)線信號(hào)到達(dá)傳感器節(jié)

5、點(diǎn)后的強(qiáng)弱值。2.2節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)中，不同的定位算法對(duì)定位結(jié)果有不同的影響，通常情況下有以下幾個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量：（1）定位精度（PositionalAccuracy）：定位精度是指空間實(shí)體位置信息（通常為坐標(biāo)）與其真實(shí)位置之間的接近程度，它是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的首要指標(biāo)，只有達(dá)到一定定位精度的定位算法才是真實(shí)有效的。定位精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度，絕對(duì)精度是指誤差的絕對(duì)值，以長(zhǎng)度為單位表示；相對(duì)精度是指誤差值與節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比。（1）有效定位范圍（EffectiveRangofOrientation）：定位系統(tǒng)所能定位的有效范圍。在

6、WSN中要滿足大多數(shù)節(jié)點(diǎn)能夠被定位，只有覆蓋大范圍的節(jié)點(diǎn)定位才有意義。（2）節(jié)點(diǎn)密度（NodeDensity）：節(jié)點(diǎn)密度就是指的播撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的疏密程度。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度對(duì)定位的性能影響很大，一般情況下節(jié)點(diǎn)密度越高定位的精度也會(huì)越高，反之則會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的定位精度。在WSN中針對(duì)不同的定位算法所需要節(jié)點(diǎn)密度也不相同，另外傳感器節(jié)點(diǎn)的性能和價(jià)格也決定了播撒的節(jié)點(diǎn)的密度。（3）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度(DensityofBeaconNode)：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度是指信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)WSN中所占的比例。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)具有自身定位功能，價(jià)格較貴，不可能大面積播撒，它節(jié)點(diǎn)的密度決定了定位的精度

7、的高低。（4）容錯(cuò)性和自適應(yīng)性（FaultToleranceandAdaptivity）：所謂容錯(cuò)性是指在故障存在的情況下系統(tǒng)不會(huì)失效，仍然能夠正常工作的特性。容錯(cuò)即是FaultTolerance，確切地說(shuō)是容故障（Fault），而并非容錯(cuò)誤（Error）。自適應(yīng)性可以看作是一個(gè)能根據(jù)環(huán)境變化能夠智能調(diào)節(jié)自身特性的反饋控制系統(tǒng)，以使系統(tǒng)能按照一些設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工作在最優(yōu)狀態(tài)。（5）安全性（Security）：Security指的是指系統(tǒng)對(duì)合法用戶的響應(yīng)及對(duì)非法請(qǐng)求的抗拒，以保護(hù)自己不受外部影響和攻擊的能力。WSN通常工作在物理環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域，定位系統(tǒng)易受到環(huán)境或