牛昆　杜秀娟　李同峰　马小璐

摘 要 随着科学技术的不断发展，无线传感器网络应用到了生活中的各个领域，近年来，世界各国对海洋资源的重视程度日益加深，水下无线传感器网络逐渐走入研究人员的视线，而对水下无线传感器网络的节点定位成为研究的重点。本文主要对水下无线传感器网络及其节点定位技术进行分析，并对无线传感器网络定位算法进行分类，同时提出水下无线传感器网络定位中遇到的问题。

【关键词】水下无线传感器网络 节点 定位

世界海洋资源丰富，为了更好的对海底环境进行监测、对海洋资源进行开发，就需要对水下定位技术进行了解并研究。传统的水声定位设备存在着一定的问题，如维护困难、部署困难、成本高、灵活性差等，同时，传统的水声定位设备的工作范围也是非常有限的，因此，其无法满足实际的需求，急需一种新的水下定位方法来解决诸如此类的问题，因此，作为无线传感器网络范围的延伸，水下无线传感器网络节点定位技术进行研究人员的视野。

1 水下无线传感器网络

水下无线传感器网络是通过飞行器等设备将大量的传感器节点部署在不同的水域范围内，节点通过在水中能够进行远距离传输的声波来完成水下的网络信号连接，从而形成一个具有无中心、自组织、多跳路由等特点的网络体系，其目的是使得传感器节点能够在水下协作的对感知对象的信息进行感知、收集，并进行处理，同时能够发送给信息的观察者。

由于水下无线传感器网络自身的特点，使得其具有以下的优点，即覆盖面广、成本低、节点密集、分布随机、自组织、容错能力强、搜集信息准确等，同时由于传感器网络的无中心的特点，可以在很大程度上提高接收信号的信噪比，提高水下无线传感器网络的性能。水下无线传感器网络的优点使得其能够在恶劣的环境中进行部署和应用。目前，应用比较广泛的水下无线传感器网络包括二维水下无线传感器网络和三维水下无线传感器网络。

2 水下无线传感器网络节点定位技术

定位，即确定自身或目标的准确位置，在无线传感器网络中应用定位技术，可以准备的确定节点的位置，并可以得到其他物体的位置。在无线传感器网络中的节点包括未知节点和锚节点。常用的无线传感器节点的定位方法如下：以无线传感器网络中可以得知其准备位置的节点（信标节点）为参考对象，根据三角定位法、多边定位法、最小二乘定位法等方法来得到未知节点的坐标位置，从而对所观察的对象进行定位。

3 无线传感器定位算法分类

3.1 距离相关定位算法和距离无关定位算法

距离相关定位算法是指在定位的过程中，需要根据已知节点与相邻节点的实际距离来确定。距离无关定位算法则无需知道已知节点与相邻节点的相对位置。由于距离相关定位算法需要测量节点之间的相对距离，因此需要付出更大的代价与成本对节点进行部署。而距离无关定位算法相对简单，已知的信标节点将相关信息传递给未知节点，从而估计出不精确的节点距离，同时利用多点定位算法等来得到未知节点的具体位置。

常用的距离相关定位技术包括TOA、TDOA、RSSI。TOA测距技术主要是通过信号到达的时间来进行，为了保证TOA技术的准确性，需要保证节点之间具有高度的时间同步性。TDOA测距技术是在保证节点之间时间同步性的同时通过信号到达的时间差来进行，然而由于声波的传播距离有限，使得TDOA测距技术得到的距离范围具有一定的局限性。RSSI测距技术主要是通过信号的强弱进行距离的测量，然而由于相关技术的局限性，使得RSSI测距技术存在较大的误差性。

距离无关定位算法是在网络连通的基础上进行位置和距离的测量，因此，外界环境对定位测量的实行影响较小，因此，距离无关定位算法比较适合大型的无线传感器网络。常用的距离无关定位算法包括APIT定位算法、质心定位算法等。

3.2 集中式定位算法和分布式定位算法

集中式定位算法主要是通过中心节点对数据进行处理从而得出节点位置的方式，此方式需要保证节点之间的连通性，从而使得信息能够顺利的发送到中心节点。常见的集中式定位算法包括质心定位算法、SPIT算法等。在集中式定位算法中，由于所有的数据信息都需要发送到中心节点，使得中心节点的数据过多，甚至出现冗余的数据，另一方面，由于中心节点对数据信息进行集中处理，使得整个水下无线传感器网络中有很大的通信开销，严重消耗了无线传感器网络中的能力，导致节点的能够耗尽，对准确定位产生不良影响。因此，集中式的定位算法具有很强的局限性。

分布式定位算法主要是指无线传感器网络中的通信节点独立的对采集到的信息进行处理，而不需要中心节点的参与，随后各个节点通过信息交换和协作来完成定位。常见的分布式定位算法包括Dv-Hop算法、Bounding Boxl算法等。

3.3 相对定位算法和绝对定位算法

利用相对定位得到的位置坐标是相对坐标，即利用相关的定位方法得到目标位置相对已知位置的相对位置，从而对其进行定位。而利用绝对定位算法得到的位置坐标是绝对定位，即得到的坐标位置是绝对的，不变的。相对定位只需要已知目标的位置，根据已经目标的位置来确定未知目标的位置，操作简单、容易实现，适用范围是定位精度要求不高的实际应用。与相对定位相比，绝对定位的准确度更高，且具有很强的适应能力，同时也具有较强的适应范围。

3.4 粗粒度定位算法与细粒度定位算法

在水下无线传感器网络中，节点是随机分布的，通过节点接近的程度而进行的定位算法称为粗粒度定位算法，而由于各个节点方向的不同、时间的不同、信号强弱的不同、型号的不同，根据节点的特点进行定位的算法称为细粒度定位算法。在无线传感器网络中，要想获得准确度高的定位信息，就需要节点具有较高的能耗与之对应，然而无线传感器网络节点本身的特点是低成本，同时具有较低的能耗，为了满足无线传感器网络的系统要求，同时为了达到较高的精度要求，在实际应用过程中往往选择适当的“粗”粒度定位算法和“细”粒度定位算法相结合的方式。

4 水下无线传感器网络节点定位中存在的问题

由于水下传感器网络中的节点具有随机部署、数量众多、体积小的特点，加之部署无线传感器网络的费用少的问题，使得对每一个节点都安装GPS定位系统是不现实的，另外随着海洋的流动、海洋中生物的作用，可能会导致节点根据海洋进行漂亮，从而使得节点的位置不固定，这就为节点的自身定位带来困难。无线传感器网络中节点的能量是有限的，在水下环境中，各个节点的能量耗尽后不能及时对节点进行充电，且更换电池也不容易实现。另一方面，水下的声信道的宽带是有一定限度的，且水下环境中的声信道存在多径衰落的问题，这些都为水下无线传感器网络节点定位带来困难。

5 结语

水下定位技术对开发海洋资源、进行海底环境监测、对海洋灾害进行预警等情况都能发挥很大的积极作用，而传统的定位技术不能满足水下特殊环境的要求，因此，人们开始对水下无线传感器网络的节点定位技术进行研究，并逐步的进行应用，取得了不错的效果。然而由于海洋环境的特殊行，加上水下节点位置的不确定行，为水下定位技术的实现带来了很多困难。另一方面，水下无线传感器网络与传统的无线传感器网络存在很大的差别，水下传感器网络的安全性也是不容忽视的一个问题。因此，为了使水下无线传感器网络更好的为人类服务、更好的进行应用，就必须不断的对其进行研究和改进，找出更精确的方法来进行相关的定位研究。

参考文献

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作者单位

青海师范大学 青海省西宁市 810008