基于測距的WSN節(jié)點自定位技術分析.doc

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1、基于測距的WSN節(jié)點自定位技術分析  摘要:WSN節(jié)點自定位技術就是網(wǎng)絡中的普通節(jié)點,按照某種定位機制確定自身的地理位置的技術。節(jié)點自定位技術是WSN中網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡應用的基礎,因此對WSN起著關鍵作用。本文首先描述了節(jié)點自定位技術的分類,并著重對現(xiàn)有基于測距的自定位技術進行分析,并對未來研究重點進行探討?! £P鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡;自定位;測距  中圖分類號:TP393文獻標識碼:A  1引言  無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是由大量的成本低、功耗少、體積微小,計算、存儲和通信能力有限的無線傳感器節(jié)點,構成的自組織網(wǎng)絡。在科研、軍事

2、、民生等方面具有廣泛的應用前景。節(jié)點自定位技術就是網(wǎng)絡中的普通節(jié)點,按照某種定位機制確定自身的地理位置的技術。該技術是WSN中網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡應用基礎,因此對WSN起著關鍵作用。  從是否需要測量實際物理量的角度出發(fā),目前在WSN中常見的定位技術可分為:距離無關(Range-free)的定位技術和基于測距(Range-based)的定位技術?! 【嚯x無關的自定位技術主要包括:質(zhì)心法、APIT法、DV-HOP法、BoundingBox法等。該類定位技術不需要測量節(jié)點之間的絕對距離和方向等實際物理量,這樣就大大降低了對節(jié)點硬件結構的要

3、求。此類技術具有計算復雜度低、實現(xiàn)簡單、通信過程簡易等優(yōu)點。存在定位精度有限,誤差較大,一般無法適用于對精度有較高要求的場景的缺點?! 』跍y距的自定位技術主要有:RSSI、AOA、TDOA、TOF等。該類技術主要是通過獲取具體量化的物理量進行定位,具有能夠?qū)崿F(xiàn)較精確地定位,適用面較廣,幾乎可以在各種場景中使用的優(yōu)點。存在計算復雜度較高,通信量大,對節(jié)點的硬件配置有一定要求等缺點。相比較于距離無關的定位技術,基于測距的自定位技術定位精度高,擁有廣泛的適用范圍,故而本文重點討論基于測距的定位技術?! ?常見的WSN節(jié)點間測距技術 

4、 目前,常見的基于測距的WSN自定位技術主要包括:RSSI、TDOA、AOA、TOF等。其中TOF技術主要包括:TOA、TW-TOA和SDS-TW-TOA等。在實際應用中,可以根據(jù)具體要求選取合適的技術?! ?.1基于接收信號強度RSSI  RSSI技術主要是通過獲取信號在空氣中傳播的能量衰減,根據(jù)無線信號的傳播路徑損耗模型來計算出節(jié)點之間的距離。該測距技術的優(yōu)點為不需要新增額外的硬件,故而測距成本不高,適用于低精度定位系統(tǒng)。缺點是傳播路徑損耗模型是數(shù)學上的理想模型,在實際測距時易受到周圍環(huán)境的影響,造成較大的誤差?! ?.2基

5、于到達時間差TDOA  在TDOA技術中,發(fā)射節(jié)點發(fā)射不同傳播速度的信號,接收節(jié)點根據(jù)不同信號的到達時間和信號的不同速度,計算出兩個節(jié)點之間的距離。該技術的優(yōu)點是測距精度高、通信過程簡易。該技術的缺點在于需要發(fā)射兩種不同的信號,因此需要節(jié)點添加額外的發(fā)射和接收設備,這導致該技術成本相對較高?! ?.3基于到達時間TOA  信號在空氣中傳播的速度v是常量,TOA測距技術根據(jù)信號在節(jié)點之間傳輸時間t和信號速度v計算出兩節(jié)點之間的距離。TOA測距技術具有計算量小、通信過程簡單、測距精度很高的優(yōu)點。缺點為該技術要求節(jié)點之間有著嚴格的時鐘

6、同步,這需要額外的輔助設施或者復雜、昂貴的硬件支持。高成本限制了該技術在WSN中的應用。  2.4基于到達角度AOA  AOA技術通過陣列天線或多模接收器等獲取待測節(jié)點和兩個錨節(jié)點的方位和夾角。該技術的優(yōu)點是可以提供節(jié)點的方位信息,故而需要較少的錨節(jié)點數(shù)量即可完成定位任務。缺點在于該技術需額外為節(jié)點裝備天線陣列或多模接收器等部件,這將增大傳感器節(jié)點的體積和整個網(wǎng)絡的成本?! ?.5TW-TOA測距方法  該技術通過記錄數(shù)據(jù)包在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間往返的時間,計算得出兩個節(jié)點的距離。TW-TOA具有不需要增加額外的硬件或輔助設施

7、,就可以獲得較高的測距精度,比較適合WSN網(wǎng)絡節(jié)點測距的優(yōu)點。TW-TOA測距技術的誤差主要來自節(jié)點時鐘與標準時鐘間的時鐘偏移。缺點為相比于其他測距方式通信量偏大。  2.6SDS-TW-TOA測距方法  SDS-TW-TOA是對TW-TOA測距法的擴展。第一階段,節(jié)點i發(fā)起測距;第二階段,節(jié)點j發(fā)起測距。每一個階段過程都和TW-TOA測距法一樣。該技術的優(yōu)點是可以大大降低時鐘偏差對節(jié)點測距的影響,測距精度很高。缺點為測距過程繁瑣,需要更多的時間和能耗?! 〗Y語  近年來,WSN節(jié)點自定位的相關技術在理論研究和實際應用中取得一定

8、成果的同時,仍然存在一些問題需要解決: ?。?)各種定位技術多數(shù)有其適用的范圍,通用性不高; ?。?)對實際應用中可能存在的各種情況適應性不足; ?。?)對潛在的三維應用前景的研究不足?! ¤b于WSN自定位技術的發(fā)展情況,筆者認為未來的研究熱點為: ?。?)現(xiàn)有

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