無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述

2) 基于信號(hào)到達(dá)角度的方法

AOA 測(cè)距技術(shù)依靠在節(jié)點(diǎn)上安裝天線陣列來獲得角度信息。由于大部分節(jié)點(diǎn)的天線都是全向的， 無法區(qū)分信號(hào)來自于哪個(gè)方向。因此該技術(shù)需要特殊的硬件設(shè)備如天線陣列或有向天線等來支持。

優(yōu)點(diǎn)： 能夠取得不錯(cuò)的精度。

缺點(diǎn)： 傳感節(jié)點(diǎn)最耗能的部分就是通信模塊，所以裝有天線陣列的節(jié)點(diǎn)的耗能、尺寸以及價(jià)格都要超過普通的傳感節(jié)點(diǎn)， 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本和低能耗的特性相違背， 所以實(shí)用性較差。

關(guān)于AOA 定位的文獻(xiàn)比較少，最早提出在室內(nèi)采集方向信息， 并以此實(shí)現(xiàn)定位的方法，它的硬件部分包括微控制器、RF 接收器、5 個(gè)排成“V”型的超聲波接收器， 其測(cè)量誤差精度為5°。隨后， 一些學(xué)者提出了在只有部分節(jié)點(diǎn)有定位能力的情況下確定所有節(jié)點(diǎn)的方向和位置信息的算法。

3) 基于接收信號(hào)強(qiáng)度的方法

RSSI 是在已知發(fā)射功率的前提下， 接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率， 計(jì)算傳播損耗， 并使用信號(hào)傳播模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。

優(yōu)點(diǎn)： 低成本。每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)都具有通信模塊， 獲取RSSI 值十分容易， 無需額外硬件。

缺點(diǎn)： 1) 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量需求多。由于RSSI 值在實(shí)際應(yīng)用中的規(guī)律性較差， 使得利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法在定位精度以及實(shí)用性上存在缺陷。所以為了達(dá)到較高的定位精度， 利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法通常需要較多數(shù)量的錨節(jié)點(diǎn)。2) 多路徑反射、非視線問題等因素都會(huì)影響距離測(cè)量的精度。

早期的RSSI 距離測(cè)量方法有Hightower 等人設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位SpotON tags 系統(tǒng)， 通過RSSI 方法來估計(jì)兩點(diǎn)間的距離， 通過節(jié)點(diǎn)間的相互位置來進(jìn)行定位， 在邊長(zhǎng)3 m 的立方體內(nèi)， 其定位精度在1 m 以內(nèi)。目前， 基于RSSI 值的距離測(cè)量方法可以分為2 種， 一種是需要預(yù)先測(cè)試環(huán)境信息的方法， 即在實(shí)驗(yàn)開始前， 對(duì)定位的區(qū)域進(jìn)行大量的RSSI 值測(cè)試，將不同點(diǎn)得到的RSSI 值保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中， 建成場(chǎng)強(qiáng)圖或擬合曲線， 在實(shí)際測(cè)試時(shí)查詢和調(diào)用。另外一種是無需預(yù)先測(cè)試環(huán)境信息的方法， 直接在定位區(qū)域進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布置和定位， 如雙曲線模型法，迭代的分布式算法， 結(jié)合露珠洪泛思想引入RSSI 機(jī)制的HCRL(hop-count-ratio based localization)算法等。

總體來說， 需要預(yù)先測(cè)試環(huán)境參數(shù)的方法在實(shí)際定位中計(jì)算量小， 這類方法只需要簡(jiǎn)單的查表或根據(jù)擬合曲線進(jìn)行計(jì)算， 其缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)前需要做大量的準(zhǔn)備工作， 而且一旦環(huán)境改變則預(yù)先建立的模型將不再適用。無需預(yù)先測(cè)試環(huán)境參數(shù)的方法需要定位引擎的計(jì)算操作， 往往具有復(fù)雜的計(jì)算過程，但適應(yīng)性較強(qiáng)。

以上幾種測(cè)距方法各有利弊， 以2009 年發(fā)表的基于測(cè)距法的文獻(xiàn)來看， 研究RSSI 方法的大約占了以上幾種方法總數(shù)的52%, TOA 方法25%, TDOA 方法13%和AOA 方法10%, 其比例圖如圖1 所示， 從實(shí)用性的角度來看， 基于RSSI 的定位方法更簡(jiǎn)便易行， 因此， 基于RSSI 測(cè)距方法的研究占基于測(cè)距算法研究總數(shù)的一半以上。

圖1 各類方法研究比例圖

3.1.2 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法

無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位過程中， 當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與鄰近參考節(jié)點(diǎn)之間的距離或相對(duì)角度信息后， 通常使用以下原理計(jì)算自己的位置。

1) 三邊測(cè)量法是一種基于幾何計(jì)算的定位方法，如圖2 所示， 已知3 個(gè)節(jié)點(diǎn)A, B, C 的坐標(biāo)以及3 點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離就可以估算出該未知點(diǎn)D 的坐標(biāo)，同理也可以將這個(gè)結(jié)果推廣到三維的情況。

2) 三角測(cè)量法也是一種基于幾何計(jì)算的定位方法， 如圖3 所示， 已知3 個(gè)節(jié)點(diǎn)A, B, C 的坐標(biāo)和未知節(jié)點(diǎn)D 與已知節(jié)點(diǎn)A, B, C 的角度， 每次計(jì)算2 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)組成的圓的圓心位置如已知點(diǎn)A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3 個(gè)圓心的坐標(biāo)和半徑。最后利用三邊測(cè)量法， 根據(jù)求得的圓心坐標(biāo)就能求出未知節(jié)點(diǎn)D 的位置。

圖2 三邊測(cè)量法原理示意圖

圖3 三角測(cè)量法原理示意圖