袁春艳

（西安财经学院行知学院,710038）

基于距离的无线传感器网络节点定位算法研究

袁春艳

（西安财经学院行知学院,710038）

由于多径、干扰、遮挡等多种因素的存在，使用RSS 方法测距的精度较低，因此必须采用合理的算法来减小测距误差对定位精度的影响，通过多次实验和改变参数可以获得较好的仿真结果。

定位；无线传感器网络；距离；接受信号强度法

0 引言

无线传感器网络中定位是很重要的，没有位置信息的数据是没有实际意义的，要定位监测区域中的检测的目标最先要确定无线网络节点所在位置，因此无线网络的节点位置所在尤为重要。节点自身定位分为基于距离和不基于距离两大类，本课题研究基于距离的无线网络传感器节点额位置所在。

文章主要说明了无线网络传感器中的重要问题，说明了相关的一些主要解决方法，指出了其中的优点和不足，指出了新的看法和构思。无线网络传感器的节点组成部分、网络的组织结构，充分解析了无线网络传感器的特点及其与现有网络的区别，列举说明了基本的定位方法和测距方法，分析了基本定位方法和测距方法的准确性。并在实际应用中使用了改进的三边测量法。并在观测过数据的基础上进行仿真，进行了对比，最终获得了较好的结果。

1 计算基于距离的节点自身定位方法

1.1 到达时间法TOA

到达时间TOA(Time of Arrival)所在的定位机制里，告知了信号所传的速度，然后用信号所传的时间长短准确的计算出节点的距离所在，接下来用同样的方法算出节点的位置所在。由于TOA检测定位需要能检测出这种信号的到达准确时间，所以，需要确保与时钟同步进行。因此在无线网络传感器之中，节点与节点间的距离不大，然而这种无线电波基本上与光的速度同步，使得在测量上不是一蹴而就，相对的是：实际上人们用超声波来测量距离的长短就相对准确容易，但是这种声波在一定的环境中也受到了很大的影响。

1.2 到达时间差法TDOA

到达时间差法利用信号传输时间Time of Arrival进行定位在无线传感器网络节点定位中，TDOA是无线电波和超声波在一定的条件下共同完成的，但是两者在传输的效率上有所不同，在近距离我们可认为无线电波传输是没有消耗时间的，所以，我们很容易能检测到节点之间的时间间隔。

1.3 波达方向角法AOA

还有一种定位算法是运用信号的角度不同进行节点的判断的，也叫AOA定位法。由于需要节点装有天线阵列，这些和无线网络传感器的价格和节能的方式是背道而驰的，因此AOA定位法实际应用性不强。

1.4 接收信号强度法RSSI

在运用信号RSSI强度的测量的定位实践中，我们知道节点发射的信号强弱程度，同时接收节点所监测到的强度大小，判断出信号的损失与消耗。同时利用大量的经验方式使得损耗转化为距离，然后算出节点所在的具体位置。

现实生活中现在主要有3中信号的传输方式：自由空间模型、双路径反射模型、和遮蔽模型。其中自由模型是理想状况；双路径反射模型加入了两个不同天线的高度ht,hr，且信号强度与距离的4次方成比例；遮蔽模型由路径衰减模型和环境中存在的噪声干扰这两部分构成。

2 基于距离的RSSI仿真方法和性能

2.1 RSSI测距定位节点仿真原理实现

RSSI即接收信号强度法，在实际仿真中，需要先在固定区域中随机取若干点作为无线传感器网络的节点，在这些节点中取一定比例的点作为已知坐标的锚节点，其他的点为假定不知道位置的节点，对他们进行定位。

在实际中取一个等边三角形的三个顶点，对三角形内的点进行定位，在接受信号强度中加入噪声，重新通过加入噪声的接收信号强度计算出未知节点对已知坐标的锚节点间的距离。用计算出的距离数据和改进的三边测量法对未知节点进行定位，得到仿真结果，对比真实坐标与定位结果，计算误差。

2.2 三边测量法改进

原本的三边测量法是在理想状态下，三个已知点与未知点的距离确定，以此三点对应于未知点的距离为半径画圆，可以相切与需定位的点；由于实际的仿真中加入了噪声，导致三个圆不一定会相切，但是会确定一个区域，通过确定这个区域的质心来估算所要定位的点的坐标。

2.3 仿真结果和误差

(1)仿真定位实现后的结果：

取了一个10*10的正方形区域，取了三个成等边三角形的信标节点，随机分布了50个节点作为未知坐标节点，进行定位，结果为蓝色的点。可以得到在可以定位的区域（三个信标节点成的等边三角形内）的点的定位基本准确，蓝色的仿真定位的点与实际的红色点位置基本相同。

(2)如下表是仿真定位出的节点与实际节点的坐标对比

表2.3.1

左边为实际点的横纵坐标，右为定位出点的横纵坐标，可以看出误差较小，定位结果较好

(3)如图是仿真定位节点与实际节点坐标的误差

可以看出节点定位绝对误差较小，最大也没有超过0.5，误差基本在0.2到0.1之间。

2.4 仿真结果分析

上面图表及图我们可以清楚的看出来定位算法的效果来，表2.3.1仿真结果可以直观的看出来未知节点坐标和定位后节点坐标的比较，图2.3.1我们可以清楚的看出来每个未知节点荆定位后的误差，误差是定位出来的点的位置与实际点的位置的距离占节点通信距离的百分比仿真结果从不同的侧面反映出本定位算法的精度颇高。

3 结束语

无线网络传感器中节点的位置定位在传感器组织体系中时非常重要的。主要针对路由、跟踪、传感的各项功能的实现有着承前启后的作用。在各种网络和错综复杂的无线网络中要保持低能耗确实还是有一定难度的，总之随着对不同传感器的持续探究，一系列的技术重难点将逐个攻破，所以未来它将有更加广阔的市场发展空间和需求。

[1] 崔逊学,左从菊,无线传感器网络简明教程[M],清华大学出版社 2009.56-78.

[2] 孙利民,李建中,陈瑜,等.无线传感网络[M].清华大学出版社.2005.5.87-104.

[3] 李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社.2007.8.126-143

袁春艳（1987-），陕西西安人，硕士研究生，西安财经学院行知学院教师，研究方向为信号与信息处理。

Wireless sensor network node localization algorithm based on dis tance

Yuan Chunyan
(Xi'an Institute of Finance and Economics Xingzhi college, 710038)

Due to the existing multipath, interference,keep out,and other factors the RSS ranging accuracy is low.We need Reasonable algorithm to reduce the Location error affect the precision,Through the experimen ts and change parameter can achieve good simulation results.

localization;wireless sensor network;distanceReceived Signal Strength

图2.3.1