陈亚楠+张牧

摘要：目前，无线传感器网络（WSN）需高效率地信息采集和处理，才能在广泛的应用中实现复杂的跟踪或监控任务. 本文首先给出定位技术用到的专业术语、定位性能的评价标准以及分类方法；本文重点从基于测距和非测距两个方面，详细介绍相关的定位方法；最后提出目前WSN的定位技术所存在的缺陷和不足，展望未来的研究前景。

关键词：无线传感器网络；定位；分类；测距；非测距

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0057-04

Abstract： At present， wireless sensor networks （WSN） need to efficiently collect and process information in order to achieve complex tracking or monitoring tasks in a wide range of applications. This paper firstly introduces the basic conceptions used in positioning technology， positioning performance evaluation criteria and classification methods； Furthermore， some localization algorithms are introduced detailedly in two aspects which are range-based and range-free. Finally， the paper puts forward the shortcomings and shortcomings of WSN positioning technology， and looks forward to the future research prospects.

Key words： wireless sensor network； localization； classification； range-based； range-free

1 概述

传感器节点在WSN中的相对位置对节点起着重要作用，一般若能获得传感器节点的位置信息，那么对传感器节点所采集的信息对应用才有意义[1]。

在监测区域中部署传感器节点一般通过飞机等一些工具随意部署，部署好所有节点之后，这些节点的位置是无法确定。所以通过一定的定位算法来获知传感器节点。目前使用最多、最广泛的是全球定位系统（Global Positioning System， GPS）.通过GPS获取传感器节点的相对位置，虽然使用较多，但会存在能量消耗高、价格不菲、易被干扰、鲁棒性低等特点，使得无法完成精确定位任务。因此在无线传感器网络中，研究传感器节点的定位算法显得特别重要[2-3]。

2 无线传感器网络定位性能的评价标准

下面介绍几种常见的性能评价标准：

1） 定位精度。精度问题是判断一个节点定位算法性能好坏的首要标准。节点的误差值与无限射程的比值是节点的定位精度值。另外，比如微软的Radio Camera[8]，其将二位网格部署区域分成网格状，这样网格的大小就是其定位结果的精度。

2） 信标节点密度。一般通过人工部署或者全球定位系统（GPS）来实现锚节点的定位。人工部署的节点应用性不高，还受到網络环境的影响。而使用全球定位系统（GPS）实现节点的定位，信标节点的费用超出普通节点的费用100倍[4]. 所以信标节点的密度也严重影响算法的性能。

3） 节点密度。在无线传感网中，越增加节点的密度，部署网络的费用越高，越能受到节点之间通信冲突所导致的有限带宽的阻碍。定位算法的精度会影响一些定位算法的性能，如在节点密集部署的情况下，DV-Hop[10，11]定位性能较高。

4） 自适应性。通常情况下，良好的无线传感器网络环境和先进的节点定位设备对定位系统和算法来说是需要的，但在实际应用中经常会出现一些问题。部署的环境或者节点本身问题导致节电定位失效。传感器节点的物理维护或者其他高度精确的测量手段通常由于环境，能量消耗等因素而难以实现。节点通过自我纠错和调整来适应各种环境，能降低产生误差的概率，从而能提高传感器节点定位的准确度。

5） 功耗。因为传感器节点的能量是非常有限的，在已部署的外界环境中，节点所消耗的能量不会得到补充，所以定位技术的实现效果好坏也受到功耗的影响。在确保定位精度的情况下，存储、通信成本、计算量的大小与功耗相关的时间复杂度是一组关键指标。

6） 代价。可以从时间代价、空间代价、资金代价三个方面来评估定位算法。时间代价是指该定位系统安装、配置时间和精确定位所需时间。空间代价则是指该定位系统需要的节点数目、硬件大小、基础设施等。资金代价是指实现该定位系统所需的总资金。

这些性能指标既相互联系又相互制约，所以一般具体情况具体选择合适的定位技术或者算法[12]，这样才能精确定位一个节点的位置信息。

3 WSN定位问题分析

3.1 基本定位术语

1） 锚节点或信标节点：精确知道位置信息的节点。

2） 未知节点：要精确定位的传感器节点。

3） 邻节点： 一些在节点通信半径内的传感器节点。

4） 跳段距离： 是指两个传感器节点间跳段数的总和。

5） 到达时间（Time Of Arrival ，TOA）：即信号在两个节点之间传播所需时间。

6） 到达时间差（Time Difference Of Arrival ，TDOA）：两种不同的传播速度的信号在两个节点间传播的时间差。

7） 接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator ，RSSI）：指传感器节点接收信号强度大小。

8） 到达角度（Angle Of Arrival ，AOA）：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度。

3.2 网络定位算法的分类

网络定位有许多种方法各有利弊，这里主要介绍几种常用的网络定位算法

1） 绝对定位和相对定位

绝对定位是指确定一个点的绝对坐标，例如一个物体的GPS坐标就是其绝对位置，也就是绝对定位。相对定位则是根据一个已知绝对位置的点建立起一个网络，通过这个网络可以计算出其他节点的相对位置。目前来说相对定位更容易实现，而绝对定位则用途更加广泛。

2） 测距定位和无需测距定位

测距定位是指利用额外的测距设备测量两节点间的距离，假设已经知道了一个点位置，则通过测量距离以及其方向我们就可以准确定位另一个点的位置。无需测距定位测不需要通过测量距离来实现定位，如可以通过发送无线电波，根据接收时间和电波速度就可以计算两点之间的距离实现定位。测距定位需要有额外的设备，造价昂贵且精准度不是特别高，无需测距定位成本较低，但对算法要求较高，需要精确的时间同步等额外条件。

3） 集中定位和分布定位

集中定位通过一个类似星形拓扑网的方式，用一个中心节点连接所有的其他结点，其他节点将定位所需信息发送给中心节点，然后对节点进行定位。分布定位是指节点通过与其他节点的信息交换和协调来对自身进行定位。集中式定位对定位节点的计算能力要求低，本身中心节点的存储量不受限制，但是拓展困难，不宜应用于大型网络。而分布定位对分节点的计算能力有一定的要求，并且对网速要求较低，灵活多变易扩展适合大型网络。

4） 移动信标和固定信标定位

移动信标定位通过安装一类定位设备如GPS、GNSS等，可在移动过程中不断向卫星发送位置信息从而实现定位。固定信标定位是指采用价格较低廉的定位设备易收到位置干扰等因素，需要固定节点，使得定位虽然较为精准但是不够灵活。由此可见在成本大幅降低的现在，移动信标必然成为未来定位的趋势。

4 常见的测距方法

测距是测距定位方法中最核心的一部分，主要通过额外的测距设备获得节点之间的距离、角度等关键的定位，但测距的精度很大程度上由仪器设备的精度决定，因此很难在物联网中流行开来，我们都知道物联网中的节点大多数是廉价的低能耗的传感器设备，但不乏通过低价的测距设备通过算法优化得到较好的定位方法，常见的技术有TOA、TDOA、AOA和RSSI四种。

4.1 到达时间测量法（TOA）

物理信号在两个节点之间传播的总时间T，测量之前已知信号的传播速度V，那么可得治两个节点之间的距离为S=V*T，这种方式也是最易想到的。但是此方法严格要求节点的传播时间，如果传播的时间不同步，那么节点定位会产生误差，所以需严格要求测量节点的硬件。

4.2 到达时间差测量法（TDOA）

4.3 到达信号强度测量法（RSSI）

基于RSSI的测距方案时通过测量CC2420接收到的射频信号的强度，采用适当的电波的传输模型对目标节点的位置进行判断的一种测距方法。该算法的关键之处是通过测量RF信号的衰减程度来计算未知节点和信标节点间的距离。最后，测量的距离值用于估计未知节点的位置。

5 无需测距的定位算法

基于测距的节点定位算法的最优之处就是能精确节点的位置信息，然而该算法需要较高的硬件，较高的硬件要求使得算法的成本、能耗也高。为此人们提出了Range-Free算法。 Range-Free算法无需精确测量传感器节点的角度和距离，该算法虽然对硬件的要求不高，但它会产生的误差反而会大大提高了。Range-Free还具有可扩展性、规模性及代价小等一些优点。质心算法（Centroid Algorithm）、DV-Hop（Distance Vector-Hop）定位、凸规划（Convex Optimization）定位算法等都具有典型的基于无须测距的定位算法。

5.1 凸规划定位算法

用节点之间相互通信问题转化为一个凸集问题，我们可以通过凸约束优化问题来解决解决凸集问题。然而要想得到一个全局最优的结果，我们可以结合SDP和LP这两种方法来确定传感器节点的位置信息[6]. 与此同时，我们会得到节点的可能存在区域，如图3所示的矩形区域，最后可知未知节点的位置就是该矩形区域的质心。

5.2 DV-Hop定位算法

一般分三个步骤：具体如下：

（1） 第一步，网络中的所有节点之间完成信息的交换。任意一个信标节点将自己的信息传送给无线传感器网络中除了本身节点以外的其他节点，这样改信标节点可以知道与其他信标节点的跳数距离。

（2） 第二步，经过第一步的发送信息后，求解两个节点之间的跳距距离之和，然后求解平均距离，在WSN中传播该值。每一个信标节点一收到其他信标节点的信息后，节点就求解它们之间的跳距，在WSN中把计算出来的跳距值最为校正值，验证节点之间的跳数距离是否是最小的，从而依次求出节点之间的跳距。

（3） 第三步，得出未知传感器节点的位置信息。通过第二步的方法，可以得出未知节点与信标节点之间的距离，而已知信标节点的位置信息，所以可以求解出未知节点的具体位置[9]。

6 总结与展望

目前为止，无线传感器网络定位研究已经得到广泛开展，但仍有一些问题尚未解决或发现，最关注的问题仍然是节点的能耗问题，在精度和能量消耗上，一切定位算法应考虑双方面因素，选择较优的算法。

雖然目前定位算法、设备以及策略都已经发展的比较成熟了，但对比信息技术的高速发展和物联网的广泛应用，当前的无线传感网定位系统远不能达到人们需求。当前的定位系统有以下问题亟待解决：

1） 定位精度有待提高。無线传感网中高精度定都往往依赖于高精度的测距，而高精度的测距需要价格较高的额外设备，对于廉价的传感器网络不易实现，并且在高精度下必然带来较高的能耗问题，因此低功耗和高精度不可能同时满足。对于这种情况我们需要在精度和能耗之间有效折衷，提出一个低功耗、高精度的节点定位算法很有意义。

2） 实用性差。很多学者提出的非测距都是通过仿真模拟实验得知算法的优越性，仿真模拟考虑到的因素与现实因素相比，模拟考虑的因素单一，实用性低等。因此提出具有实用价值的定位算法很有现实意义。

3） 隐私安全问题。在大范围WSN中，未知位置的节点需要向信标节点发送消息，从而会透露出自己的信息，因而网络隐私问题在定位过程中需要主义的一环。而另一些应用通过一些手段来得知节点的位置，可以很好地解决WSN节点的隐私安全问题。

4） 挖掘可用的新信息。微电子技术的发展使得传感器体积越来越小，功耗越来越低，由此产生的可穿戴设备对人们的生活产生巨大的影响带来了巨大的便利，通过这些可穿戴设备可实现随时随地的定位，我们可以知道人们在哪，通过这些信息，判断出他们的爱好可以做到精准的广告投放，同时可以统计在同一片地区的人们，推荐为微博好友。对于位置的检测可以用来预测速度提供运动速度记录，从而提供更好的跑步方案，总之位置信息可以有大量新的有用的信息有待挖掘。

参考文献：

[1] 王焱，单欣欣，姜伟. 无线传感网络中移动节点定位技术研究[J].传感技术学报，2011，24（10）：1469-1472

[2] 郝志凯，王硕. 无线传感器网络定位综述[J].华中科技大学学报：自然科学版，2008，36（1）：224-227.

[3] 滕国栋.无线传感网络节点定位算法的研究[D].杭州：浙江大学，2010.

[4] Spec：Smartdust chip with integrated RF communications.2001.http：//www.jlhlabs.com/jhill_cs/spec/

[5] 彭宇，王丹. 无线传感器网络定位技术综述[J].电子测量与仪器学报，2011，25（5）：389-399.

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[12] Bulusu N， Estrin D， Heidemann J.Tradeoffs in location support systems：The ease for quality-expressive location models for applications. In： Proc. ofthe Ubicomp 2001 Workshop on Location Modeling for Applications.Atlanta，2001.7-12. http：//lecs.cs.ucla.edu/～bulusu/papers/Bulusu01d.pdf.