无线传感网络定位技术

无线传感网络定位技术节点定位的基本原理第2页,共20页，星期六，2024年，5月无线传感网中包含大量的传感器节点，通常节点的放置采用随机撒布放置方式，采用人工标定来确定每个节点的位置，工作量巨大，很难完成。为每个节点配置GPS可直接获得节点的位置，但由于节点数目众多，考虑到价格，体积，功耗等因素的限制，通常不采用这种方案第3页,共20页，星期六，2024年，5月较合理的方法是为部分节点事先标定好准确位置或为他们配备GPS，这些节点称为锚节点。目前节点定位的热点集中于如何利用这些锚节点提供的位置信息与节点间的协作，来计算非锚节点的位置。第4页,共20页，星期六，2024年，5月无线传感网络定位问题的一般前提假设网络具有较高的密度网络内每一个节点具有全网唯一的id在没有特别说明的情况下，所有节点具有相同的最大通信距离在定位过程中，假设节点相对位置不变第5页,共20页，星期六，2024年，5月节点定位的方法第6页,共20页，星期六，2024年，5月无线信号测量方法测量信号的到达时间（TOA.TimeofArrival)-已知信号的传播速度，根据传播时间来计算距离，得到的结果精度高，但要求节点保持精却时间同步，对节点硬件和功耗提出了较高的要求。测量不同信号到达时间差（TDOA.TimeDifferenceofArrival）-由两节点同时发送信号，待定位节点根据两信号的到达时间差来计算距离。这种技术对硬件要求较高，但是测距误差小，使用这种方法发送信号易受干扰，不适合于大规模的传感器网络第7页,共20页，星期六，2024年，5月测量接收信号到达角（AOA.AngleofArrival)-通过天线阵列或多个超声波接收器感知发射结点信号的到达方向，由此获得接收节点和发射结点之间的相对方位或角度。这种技术对接受硬件要求较高。测量节点的信号强度（RSSI.ReceivedSignalStrengthIndicator）-利用信号在传递过程中的衰减特性进行距离估计。已知发射结点的发射信号强度，接收节点根据收到的信号强度，计算出信号的传播损耗，基于理论和经验的信号衰减模型将传输损耗转化为距离。该方法符合低功率，低成本的要求，但信号强度易受环境影响。第8页,共20页，星期六，2024年，5月测量节点是否在发射信号的接受范围之内-使用已知发射功率的信号，或者使用定向天线改变发射信号方向来检测接收节点是否在信号覆盖区域内，通过覆盖区域的重叠面积计算来确定节点的位置范围。第9页,共20页，星期六，2024年，5月节点定位计算方法获得了检测量后，利用如下方法得到节点定位三边（多变）计算法：已知平面上（空间上）三（多）点的位置A,B,C，以及D点到A,B,C的距离,利用几何方法可求得D点的坐标。三角（多角）计算法：已知平面（空间）三（多）点的位置A,B,C,以及D点为角顶点，角边的端点为A,B,C的角度，可求出D点的坐标。极大似然估计法：已知很多节点D的相邻节点坐标以及他们到节点D的距离或方位，使用最小均方差估计方法得到节点D的坐标。第10页,共20页，星期六，2024年，5月利用范围重叠计算：重叠区域质心算法：定位算法首先确定包含未知节点的区域，计算这个区域的质心，并将其作为未知节点的位置。凸规划算法：将节点定位问题转化为凸约束优化问题，，然后使用半定规划和线性规划的方法得到一个全局优化的解决方案。跳数距离估算法：计算节点间的跳数，利用估算或者直接使用节点的通信半径得到平均每跳的距离，在结合跳数估算距离。第11页,共20页，星期六，2024年，5月变覆盖范围定位算法：利用移动的锚节点周期性广播其当前位置，未知节点根据这些信息计算其位置（包括ID，位置，时间戳），该算法的理论基础是圆的任意两条不同弦的垂直平分线的交点即为圆的中心。或者通过锚节点的发送功率和定向天线的方向来产生多个覆盖区域。模块匹配算法：通过比较数据库中训练模板与接收信号模板实现定位，该方法称为“指纹识别”，该方法中使用随机概率的方法对信号强度进行建模。第12页,共20页，星期六，2024年，5月定位算法的归类第13页,共20页，星期六，2024年，5月集中式计算和分布式计算集中式计算是指将需要的信息传送到某个中心节点进行定位计算。典型的集中式算法有凸规划，质心定位算法，MDS-MAP算法，APIT算法等。分布式计算是指依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行计算的定位方式，典型的算法有BoundingBoxl,Dv-Hop,RobustPositionl等。第14页,共20页，星期六，2024年，5月基于测距技术的定位和无需测距技术的定位基于测距技术通过的到节点间的距离或角度信息，使用三边测量，三角测量极大似然估计等方法计算节点位置。无需测距技术，不需要距离和角度信息，仅根据网络连通范围等信息实现定位。典型的基于测距定位的有AHlos，不需要测距的算法有质心定位算法，MDS-MAP算法，APIT算法等。第15页,共20页，星期六，2024年，5月绝对定位和相对定位绝对定位的定位结果是一个标准的坐标位置，如经纬度。目前大部分WSN系统采用这种表示方式。相对定位通常以网络中部分节点为参考，简历整个网络的相对坐标系统。典型的相对定位算法有SPA。而MDS-MAP定位算法可以根据网络配置的不同分别实现两种定位。第16页,共20页，星期六，2024年，5月细粒度定位和粗粒度定位根据接收信号强弱，时间，方向和型号模式匹配等完成定位的称为“细”，根据节点接近度定位的称为“粗”。高精度的定位技术往往要求较高的器件水平和能耗，在有些场合下，为了满足传感器网络节点的低成本，低能耗的要求，需要根据任务要求选择适度“粗”的算法。细粒度的典型算法有质心算法，activeBadge，凸规划等，粗粒度的典型算法有跳数距离估算法。第17页,共20页，星期六，2024年，5月循环求精和一次计算大部分定位算法都采用一次计算得到节点位置，循环求精是在起始阶段得到节点位置的粗略估计，在循环阶段每个节点向其邻居节点广播他的位置估计，并根据从邻居节点接受的位置信息和节点间的测距结果重新计算自身位置，直至两次计算得到的位置估计之差小于一定的域值。典型的循环求精算法有Cooperativeranging和Two-phasepositioning。第18页