无线网络定位论文综述

1、无线传感器网络定位技术分析无线传感器网络具有成本低、监測精度高、容錯性好、可远程监腔、便于诊断与绒护等众多 优点，在环境监测、事故定位救援等領镇有着广阖的应用前景，具根本任务是准确获取物理 世界的有价値信息。无线传感器网络借助节点的时冋与位置信息，实现传感器节点之何技制 和传感数据高連率、低if迟的交换，以保证整个检测与控制系统的准确H与实时性.无我传 感器网络面临廿算、存储与网络资涮等方面的限制，针对如何进行无线传感器网络中节点高 效率、低能耗的定位以及覆盖等冋題猴开研究具有十分車要的意义。在目标监測与跟踪、基 于位置信息的路由中，节点的位置信息也是不可缺少的。关进词：传感器网络定位，实时1

2、1第一章背景分析无线传感器网(Wireless Sensor Network, WSN)»誉为21世纪最有静响力的21 « g术和改 变世界的10夫技术之一。传感器节点定位技术是无找传感器网络多数应用中的关址支搏技 术之一。无线传感器网络技术在国民经济建设和军事領域有着非常車要的应用价值，咖目标 服踪、人侵检測、炎难管理和战场侦察等。新技术在带来应用机会的同时，也帯来新的研究 冋趣。无论是在军事侦察或地理坏境监測，连是交通路况监測或医疗卫生中对病人的眾赊等 应用场合，很乡获取的监測(I息需要附带相应的位置信息，否则，这些数据就是不确幼的， 甚至有时候会失去采集的意义，因此网

3、络中传感器节点自身位置18息的获取是大多数应用的 基1。所谓定位是对一组未知位置坐标的网络节点，iiiifSit其至邻居节点的距离或邻居数 目等手段，利用节点间交换的信息，确定节点位置的机制。从广义上讲，传感器网络的定位 冋題包祐节点自身定位和对监腔目标的定位。由干传感器网络的节点容量受限，包牯有限的 aft.通信带宽、内存和it算能力，节点协作完成感知和通信任务，«?it算和通(8量最小 化，节点定位是传感器网络运行的一个星本和关址冋题。首先，传慰器节点必须明确自身也置才能详细说明“在什么位置发什么了什么事件”。从而 实现对外部目标的定位和眼妹；共次，了解传感器节点的位置分布状况可

4、以对提高网络的路 由效率提供帮助，从而实规网络的负我均画以及网络柘扑的自动配置，改善整个网络的融盖 质量。HUt,必须采取一定的机制或算法来实现无裁传感器网络中各节点的定位。第二章传貌定位技术分析2.1 Adhoc网络定位在Adhoc网络中，许多路由协放81是基于节点的位置信息。但是在一些特姝情况下,Adhoc网 络中的定位不能依赖GPS,必须进行自定Eoffi着无线杨动通信和務动终端技术的ifi速发展, 最初只应用干军事領域的Adhoc网络在民用杨动通fg領域也掀起了研究的热io Adhoc网络 的符点册给实岳应用带来了很大的方便，也给具路由怵议的设廿带来了新的挑此例如特殊 的信道共享方衣冋

5、題、网络柘扑结构的朋态变化冋題、无线帯宽的有限11冋題、节他冋题、 网络管理冋题以及安全问韻等。根据不同的分类标准,Adhoc网络中的自定位算法有不同的分 类方So iO,禺齬节点是否需要测量信息，可分为基于测量的定位沫和不需要測量的定位 法；根据定位提供的坐标类里，可分为全崗定位法、松对定位法和局跚定位法。如图1所示。图1 Ad Hoc网路自定位系统分类基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的测即技术根据理论或经验值号传播模里将传 播损It转化力阪离。在无线传感器网络中，理论上通过3个锚节点的RSSIJI息就可用三边 测量法决定一个未知节点的Ei

6、o基干RSSI卽离定位算沫的定fiilf?描述如下：SJ节点周期发送自身信息:节点自身位置18息。(2) 未知节点接收到多个Si节点的RSSI值,根据信道模璽廿算节点同的瓯首先利用最先收到的3ta节点来初步廿算未知节点的位置。(3) 对于所有接收到的消息,毎三个一组,分别廿算未知节点的位置。(4) 最后，对集合中所有的it算位置取平均值，就是未知节点的位置估廿。在实麻应用坏境中，由干多径、绕射、障碍物等因索，无线电传播路径损耗便得定位过 桿中产生距离误差。2.2 Zigbee枝术的定位方法Zigbee枝术定位的原理分为基于距离(Range-based )的定位方法和非基于距离(Range-fr

7、ee )的方法。首先一个Zigbee的完整系统色招有网关节点，静态节点和动态节点。 网关节自就是将Zigbee网络到外部的计算机或廿算机网络上，是整个系统的怵囲者。静态 节点是利用供电，可以自由的股置于回定的位置，作力整个系统的参考，类皿于网络中路由 器而存在的。动态节点是通过电也供电，it算能力低,要求体枳尽可能爪，作为整个系统的 终端负责收集动态目标的位置信息从而通过廿算对目标进績确的定也。网格定位通过自己设置的Zigbee系统的静盗节点和动态节点同的相互配合。8 Zigbee定位参考节点以等间即布置成网t&tt,通过按收的RSSI来确定并测量节直间点到直的即离 或角度的信息，然后

8、使用三也测量法、三角测量法或者晟大filSitait算节点位置。如图2,图3所示。图2三边测量法原理示意图图3三角测量法原理示意图由干禰定的固定直比较多，往往将一f较为貝杂的地区作为实麻的池量自适合在复杂度较 高的地方使用，定位相对可靠。第三章无线传感器网络定位WSN的定位方法较多，可以根据数据采集和数据处理方直的不同来fifTtt类。在数H 采集方貳上，不同的算法需要采集的信息有所側亜，如皈离、甬度、时间或周围悔节点的信 息，其目的胡是采集与定位松关的数据，并便貝成力定位廿算的Stfio在信息处理方氏上， 无沦是自身处理连是上传至貝他处理器处理，具目的胡是将数据转换为坐标，完应定位助能。 目

9、前比较普遍的分类方法有3神：1) 依据距离测量与否可期分为：鴻距算法和非測更算法。渭更法基于简方f?：S=工:ASi, 貝中S为第n彳、采样周期时物U杨动的总胳杈；&为第i采样周期内«5UfH的路程。系 统误差是由務动系统运动学不完整11引起的,如不等轮頁径或有关蒂晞轴卽的不瑪定性等。 測距法采用的传感器通常分为模fflitiUJffi传感器和数字氏測距传感器。其中測距法是对距离a ill接测量，非測更法依靠网络连通度实现定位，測距法的精度-般畐于非測距法，但測 距法对节点本身皱件要求较高，在杲些特定场合，如在一个規模较大且詹节点柿疏的网络中, 侍定位节点无法与足協多的端节点

10、iSlil接通信测即，晋通測距方法很SfifT定位，此时需 要考處用非測皈的方式来IS it节点之间的阪离，两种算法均有其自身的局限性；2）依据节点连通度和柘扑分类可则分为：单跳算法和名践算法。单跳算法较多跣算法来说更 加的简便易行，但是存在着可测量X闌过小的冋題，马跳算袪的应用更为广泛，当测量X 围较广导致两个节点无法頁接通信的惭况较多时，需要多跻通信来解决；3）依据信息处理的实现方衣可划分力：分布直算法和集屮直算法。以监測和控嗣为目 的算袪因为具数据要在数齬中心汇总和处理，大多使用集中衣算法，具精度较高，但通信量 较大。分布式算法是传感器节点在采集周围节点的信息后，在其自身的后台执行定位算

11、法, 该方法可WKfK网络通信量，但目南节点的能量、it算能力及存储能力有限，复杂的算法难 以在实际平台中实现。激光测卽传感器和超商液传感器的工作原理类似，胡是利用发射波和風波之冋的时间 差来计算更离，不同是前者发射的是淵光，后者发射的是超声渋。与超声渋传感器H1比，激 光測阪传感器测量蒂度更高、测即X围更大，坏境适应能力更强，如图4所示。激光束被测物團4激光测距传感器最小二乘法具有很好的估ittt能，但在误差方面精确度不够，当定位蒂度要求不高的 时候，可以采用最小二乘法。在解决三维空间定位冋题时，试验场必须布设4个及以上数 量的基站，并且获得3个及以上的时差信息，才可以利用最小二乘法构建矩眸

12、函数。it算 如下:其中 1=1,23,4ro 二（x_+（，_ 儿）一+（=_=o）'1； = 汀 +/+ （二-汀Taylor算法，是一种常用的递IH算沫，该算法的原理是：為定也方杈利用泰勒中値定理进行展开，衡量工作量及精度后，采用只保因一次导数顶的方法，在确定初始位置的基碣上,每一步送代方向制是沿着当甫点的函敛値下降的方向fiffo itg如下:芟1画-诊yQ-y男一y-o "-1 -饭k如&（如AA斤A6A；0rav；Xy-Xy0-y>-yA"0A一一& L.泊（如&（朋AfbAA /;Arz鈔:x3-xyGyy.-y”二 F

13、一 3 一&咖）o2咖）.AL %A2八AA5A斤J,二,v）=（仃一*）2 十（y 一驾 了十（二一三）2+ （y-jJ +（-Dy _ 叫=oG=S=（GTQGy'GTQ-h泰勒级数果开法是解决非线性方f?的较有效的方法，而且在初始值接近真冥值的情况下僉有很高的精度。第四章精度分林精度、能群和安全是传感器网络定位中需要考虑的主要因素。前两者已经受 到大量研究人员的关注并1ST较名的成果，而安全定位只是在近几年才引起重 视。传感器节点经常部箸在无人或者非友好的坏境中，节自的密钥信息以及节自 间的通信内容可能被敌方窃取。通il窃昕节点间的信息并在网络中加人虛假信 息，故方节贞就

14、能够轻易地干扰节点的定位，形成攻击。传感器网络定位技术的 主要性能SlSft®、能耗和安全。例如,TDOA适用于传播距离短的网络部署坏 境，恿味着网络的信标节点密度高而导致全局能耗的增大。针对基本虫洞攻击和 一協虫洞攻击提岀了检测方法：1.根据时间特tiaii攻击检测2.根据空间特性进 行攻击检3.根据测距信息一致naff攻击检测；Sensor首先果用时间特性和空同 特性检测岀部分受到攻击的Locator，然后再基于已经检測出来的受攻击的kcator 进行一致II检测，把剰余的受攻击Locator全部检测出来。无线定位技术中误差产生的原因：名径传播是造成定位误差的主要原因。名径不仅可

15、以导致对来渋方向的判斷 錯误，而且对于基于时间的定位袪来讲,即使在MS和BS之间存在LOS( Line Of Sight)的悄况下也会对信号传播时延的测定带来误差。 NLOSfNon Line of Sight)传播也是影响定位精度的主要原因。无论是测向定位 还是测距定位，视距传播(LOS)信号是正确定也的基础。由于受到衰落和阴影效应 等因素的影响,基站接收的信号中可能不包含LOS信号或LOS信号。因此如何降 KNL0S传播的影喑是提高定位精度的关键。多址干折。多址干扰最敏感的是CDMA系统。由于CDMA系统中的各用户均 使用同一類段,因此远离基站的用户信号可能被基站附近用户信号所抑亂造成远

16、常用户信号无法检测，这就是远一一近效应。第五章研究展望无线传感器网络定U研究已广泛开展并取得了许多研究成果，但的存在着一 些没有被解决或被发现的间题，目前最为关谜的间题的然是WSN节点的能耗间 题，一切的定位算法应该在精度和能量消耗上选取一个较为折衷的效果。目前存 在的间题员相应可能的解决方案有:1）应用坏境单一。多数的算法部是针对特定的应用场景进行设廿的,也就是 说，毎个算法都只能解决特殊的间题或应用于特定的场景，一旦坏境发生变动， 算法或系貌的测量误差将增大甚至不再适用。因此，探索更貝通用性的定位算法 或定位系貌，将其应用于更为夏杂名变的坏境中是一顶新的挑战。2）受硬件限制。在实际定位中，

17、一些算法由于受到传感器节点硕件成本和性 能的限制，如某些算法需要在定位节点上增FUGPS,超声波收发器,有向天线阵 列等设笛,增加了节点哽件成本,I®碍了其在实际定也系统中的应用。因此，算 法设廿应名考虑WSN节点的实际悄况，如只在部分节点上増加証外硕件，或根 据实际节点资源受限悄况呆用其他定位算法等。3）能量受限。测量精度、容塔性和能量消耗等间题也是目前无线传感器网络 研究的热点，更是定位技术研究的热贞。通常悄猊下，高测量精度和低能量消耗 不可兼得，往往需要在測量精度和能量ifittlisn有效的折裒。因此，可以在提 高肾能设备的容量，或利用可能的外界坏境资源为节点提哄能量方lai

18、anw究， 另外，提岀高效、节能、符合实际悄况的无线传感器网络定位算法将具有现实的 意义。4）安全和隐秋问題。在大x围部署的无线传感器网络中，安全和隐机的间题 也是一个主要的研究方向。一方面，一些应用需要节点值置信息，另一方面，向 一些不需要知道位置的节点透需位置信息则会使网络面临安全间题。此外，鉴干 无线传感器网络的性质，集中式算法在后台处理定位程序也使得节点的位置信息 通过层层传递被过名的节点所知晓，因此分布式算法相对于集中式算法可以减少 信息传递次数，增强网络安全性，另外，在网络通信中使用信息加密也可以提高 网络安全性。参考文献邸岩,赵沖冲，以柱兰.无线传感器网络节戌定位枝术H究J) it算时