无线传感器网络定位技术研究

谢聪

（湖南国防工业职业技术学院 湖南省湘潭市 411207）

无线传感器网络属于一种融合性技术，其是对信息处理技术、传感技术、网络通信技术等相关技术的融合，不但能够实现对环境、空间的实时监测目标，同时也能够完成数据信息收集、节点定位等任务，目前已在多个领域中广泛推广及应用，包括军事领域、交通领域等。

1 无线传感网络定位技术

相关研究人员在对该技术进行研究的过程中，依据不同的分类标准能够分成较多类别。将测量的数据信息当做依据，能够将测量的数据信息分成：测距定位以及非测距定位。

1.1 测距定位技术

可以将该技术细致地划分，依照时间需要划分成：TOA--信号传输时间模式与TDOA--信号传输时间差模式。TOA 模式关键是依照信息数据传输的时间，实现对传播距离的精准测定，并据此进行准确定位。同时，该种模式也被划分为不同的算法，即单程测距、双程测距[1]。对于前者，各个节点需要保障时间具有较高的同步性，一旦不能同步，那么则会导致定位不准确；对于后者，其并不会受到时间是否同步的影响，即使在时间节点上有差异，也能够实现最终的准确定位目标，但是，要保证本地的时间足够精准，若是本地的时间出现错误，将会对差距精准性影响，导致定位结构不够精准，影响到工作后续的推进。

TDOA 模式作为TOA 模式的革新与升级，其是对现代技术的充分利用，实现对信号的准确接收和传送，而在此过程中，通过对两个节点之间信号时间差的测量，即可完成对节点间距进行精准计算，从而保障定位的精准度与高效性。加之，还有运用达到的角度对测距精准地定位类AOA 技术--到达角度测距技术。但是需要注意，在对AOA 技术进行利用的过程中，需要技术人员能够依据阵列天线将未知的锚节点与节点夹角等相关数据精准地测量出，而后在开展精准测距。

但是阵列的天线在施工与建设的时候所需投入的成本相对较高，与此同时，在运用内信号数据传播将会被电磁波以及非视距各类因素共同干扰，导致最终测量的结果并不是很准[2]。另外，在使用相关测距定位技术时，需要相关测量人员能够重视节点具体坐标的计算，以此确保定位精准。最后，在对未知性锚点与节点间角度数据信息与距离数据获得之后，可运用的计算坐标方式包含：

1.1.1 三边定位方式

在采用该种方式进行定位的过程中，对未知阶段的要求相对较高，需要知道其四周已有具有坐标的三个锚节点。在此基础上，技术人员通过对距离与坐标之间的计算公式，实现对未知坐标节点具体坐标的准确计算，以便于对目标进行精准地定位。该类方式对测量距离精准度需求不高，技术工作人员所示测量不够精准也不会导致定位精准度出现误差与下降状况。

如图1 所示，已知A、B、C 三个节点的坐标分别为（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它们到未知节点D 的距离分别为da，db，dc，假设节点D 的坐标为（x，y）。

图1：三边测量法示意图

图2：三角测量法示意图

1.1.2 三角定位方式

该种方式于AOA技术内依据对有关角度数据信息的准确测量，实现对未知性节点坐标的确定。同时，该种技术对未知阶段的要求也比较高，需要至少三个已知坐标的锚节点，除此以外还需要其中的任意两个都可以与未知性节点共同确定出一个圆，从而获得三个圆。而后运用已知的角度与坐标，将三个圆中圆心位置与半径数据进行获得。再把其转变成三边定位，最后运用三边定位模式，将未知的各个节点坐标精准求出，进一步的进行定位。

如图2 所示，已知A、B、C 三个节点的坐标分别为（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），节点D 相对于节点A、B、C 的角度分别为：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假设节点D 的坐标为（x，y）。对于节点A 和C 以及∠ADC，如果AC 在△ABC 内，则唯一能够确定一个圆，设圆心为O1（xo1，yo1），半径为r1，则α=∠AO1C=（2π—2∠ADC）。

1.1.3 多边定位方式

纵然运用三个锚节点就能够将未知的各个节点坐标信息数据计算出，已达到地位的目的。但，若是可以对未知的各个节点四周众多锚节点坐标确定，就可以提升计算的精准度，提升定位的高效性与精准性，这就是多变定位的具体思路。

1.2 非测距定位技术

该种技术主要是一类不需要对开展节点之间距离或角度进行准确测量，即可在知道锚节点的有关信息与网络所具有的连通性质基础上，实现对未知节点位置准确估测的目标。目前，在对该技术进行应用的过程中，较为常见的有以下几种：

1.2.1 质心定位技术

该类技术能够显著的降低无线传感网络定位过程中所需要投入的成本，只要在网络连通的状态下，即可实现对未知节点的定位目标。技术人员在采用该技术进行定位时，可分成三步实现对未知节点的定位：

（1）对锚节点的特性进行利用，这些锚节点会向与其相联系的节点传送信息数据集合，其中就包括自身的坐标。

（2）未知节点在接收到相应信息数据后，会遵循自身的阈值对数据进行整理和判断，并将有效数据信息精准地记录下。

（3）各个未知的节点估值坐标作为他临近锚点所形成二维图形的中心。

除此以外，在此过程中，如果各锚节点的分布相对规律，那么将会大大提升对未知节点定位的准确度。

1.2.2 DV-hop 定位技术

对于该种技术，主要是对通信跳数的充分利用，实现对位置节点的精准定位。所以，该种定位技术较为方便，只需要技术人员能够将相关通信跳数准确记录下来即可。不过，也需要技术人员注意一些问题，采用该种技术并不能实现网络内众多锚节点在分布不够均匀状况下，加之，对边界的各个节点运用效果更是不是非常地理想。该种定位技术实现需要经历以下几个步骤：

（1）全部节点于通信的范围之中往其他的节点中精准地将自身坐标、标号发送出，将两节点间跳数数据信息发送出。各个节点所接收到的数据信息之后，将会把自身抛出，并且会对其他节点中的信息进行有效储存。

（2）通过对所储存的信息进行分析，可以准确地将各锚节点之间距离计算出来。

（3）利用节点之间所存在的最小跳数，即可完成对每跳间平均距离的准确计算。

（4）相关技术人员通过上述操作，即可完成对未知节点与锚节点间距的准确计算目的，确保未知节点计算的精准性。

1.2.3 APIT 定位技术

该种技术还有另一个名字，即近似三角形内点测试方法。在采用该种技术方式进行未知节点定位时，主要是让锚节点将有效地数据信息传递到周围未知节点中；其次，对这些数据信息进行整理，将与未知节点关联并不大的锚节点剔除掉，使得定位范围变小；最后，当未知节点接收到一定数量的信息数据后，关联大的各锚节点会形成多个三角形区域。

经过上述一系列处理后，相关技术人员可准确判断出未知节点是否处于其中，并据此找到准确位置。

2 无线传感网络定位技术性能评价

相关技术人员在进行定位的过程中，所采用的无线传感网络定位技术不计其数，不过都是依照定位的具体需求与实际状况和条件，对技术具体运用性能精准评价，从而选取出最佳的、最适用的定位技术。在对性能进行评价的环节中，需要依照下面几点标准：

2.1 精准度

关于该标准，可以说是对该种定位技术性能评价的黄金指标，如果所采用的技术无法满足该标准，那么就算能够满足其他的相关标准，也失去了“定位”的真正意义。

除此以外，在验证所用技术是否满足该标准时，主要是对误差具体数值与节点无线射程之间的比例进行确定。

2.2 规模

该种技术在节点时间中可以对一定范围中几个目标实施定位，也是性能评价中的关键性性能数据指标，需要依据对未知节点定位的精准需求，选择最终的规模。

2.3 锚节点密度

在对未知节点进行定位时，锚节点是必不可少的因素，辅以GPS 定位或人工定位实现对未知节点的定位目标。

人工定位会被网络环境所影响，导致其可扩展的能力显著降低。但是GPS 定位将会大幅度地提升网络使用价值，会对锚节点密度影响，这就需要技术工作人员依照具体需求进行抉择。

2.4 节点密度

节点密度数据指标将会对较多定位模式有影响，提升节点的数量不但会将网络部署投入费用提高，还可能会因为节点之间的通信量大，导致出现通信冲突，导致网络出现阻塞。对此，在对定位技术进行选择的时候，需要依据实际需求，对节点密度进行确定，并据此合理选择定位技术。

2.5 容错与自适应

在开展定位工作的过程中，所采用技术中的算法与定位系统对相应因素也有一定要求，尤其是网络中节点设备，以及无线通信环境。另外，还需要注意，在实际定位的过程中，所处环境并不乐观，有较多的影响性因素，导致定位出现误差，造成设备出现失效状况，而且在环境与能耗等众多因素的影响下，替换与维护将难以继续。这就需要技术工作人员在对定位技术进行选取的时候，需要对所运用的硬件与软件进行选择，确保硬件与软件容错性与自适应性，从而提升其环境使用能力、自动调整能力与重构与纠错力，确保精准度可以提升。

2.6 功耗

在进行定位的过程中，所用传感器的节点在运行时，也是需要消耗一定能量的，所以还需要注意“功耗”这一标准。因此，为了有效解决电池能量有限这一问题，需要在保障其精准程度的状况下，不断加强对低功耗技术的研究。

3 无线传感器网络定位技术的实际应用

上述对无线传感器网络定位技术进行了简单分析，下面以军事领域对该技术的实际应用为例，对其进行再度说明：

3.1 智能尘埃

其属于军事上对该技术应用的主要仪器，是一个集数据收集、定位和信息传递等功能于一身的监测系统。将其应用于实际军事中，能够完成对特定目标的准确定位，同时还能够实现对其的实时监测目标。

3.2 SSW系统

对于该系统，其属于全新类的传感器网络。这一系统做功的基础思路为：在实际应用中，将诸多传感器放置到战场中，据此完成数据收集、定位等任务。最后，由该系统进行数据汇总，实现对实际场景的绘制，方便参战人员对于战场态势的感知能力。

3.3 目标定位

该种方式主要是采用微型传感器，通过对音频数据信息的收集，实现对目标的定位。但是需要注意，在三维空间内，可能会有延迟，所以需要对延迟进行控制。

4 结束语

综上所述，在网络技术大力发展的背景下，无线传感器网络定位技术的应用也越来越广泛，并在各个领域发挥了重要作用，有效弥补了网络在各领域应用中的不足和缺陷。但是需要注意，无线传感器网络定位技术在不同领域、场合应用时，需要相关技术人员能够对节点的规模、成本及系统、定位精度等需求进行综合考虑，并做好相应设计，以此确保无线传感器网络定位技术的应用价值得到充分体现。