??1 引 言 ? ??網(wǎng)絡作為一種全新的信息獲取和處理技術在目標跟蹤、入侵監(jiān)測及一些定位相關領域有廣泛的應用前景。然而， 無論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測， 還是交通路況監(jiān)測或醫(yī)療衛(wèi)生中對病人的跟蹤等應用場合， 很多獲取的監(jiān)測信息需要附帶相應的位置信息， 否則， 這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時候會失去采集的意義， 因此網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點自身位置信息的獲取是大多數(shù)應用的基礎。首先， 傳感器節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”， 從而實現(xiàn)對外部目標的定位和跟蹤； 其次， 了解傳感器節(jié)點的位置分布狀況可以對提高網(wǎng)絡的路由效率提供幫助， 從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的負載均衡以及網(wǎng)絡拓撲的自動配置， 改善整個網(wǎng)絡的覆蓋質量。因此， 必須采取一定的機制或算法來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點的定位。 ??無線傳感器網(wǎng)絡定位最簡單的方法是為每個節(jié)點裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS） 接收器， 用以確定節(jié)點位置。但是， 由于經(jīng)濟因素、節(jié)點能量制約和GPS 對于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制， 導致方案的可行性較差。因此， 一般只有少量節(jié)點通過裝載GPS 或通過預先部署在特定位置的方式獲取自身坐標。另外， 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位涉及很多方面的內容， 包括定位精度、網(wǎng)絡規(guī)模、錨節(jié)點密度、網(wǎng)絡的容錯性和魯棒性以及功耗等， 如何平衡各種關系對于無線傳感器網(wǎng)絡的定位問題非常具有挑戰(zhàn)性。可以說無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身定位問題在很大程度上決定著其應用前景。因此， 研究節(jié)點定位問題不僅必要， 而且具有很重要的現(xiàn)實意義。 ? ??2 WSN 定位技術基本概念 ? ??2.1 定位方法的相關術語 ??1） 錨節(jié)點（anchors）： 也稱為信標節(jié)點、燈塔節(jié)點等， 可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點； ??2） 普通節(jié)點（normal nodes）： 也稱為未知節(jié)點或待定位節(jié)點， 預先不知道自身位置， 需使用錨節(jié)點的位置信息并運用一定的算法得到估計位置的節(jié)點； ??3） 鄰居節(jié)點（neighbor nodes）： 傳感器節(jié)點通信半徑以內的其他節(jié)點； ??4） 跳數(shù)（hop count）： 兩節(jié)點間的跳段總數(shù)； ??5） 跳段距離（hop distance）： 兩節(jié)點之間的每一跳距離之和； ??6） 連通度（connectivity）： 一個節(jié)點擁有的鄰居節(jié)點的數(shù)目； ??7） 基礎設施（infrastructure）： 協(xié)助節(jié)點定位且已知自身位置的固定設備， 如衛(wèi)星基站、GPS 等。 ??2.2 定位方法的性能評價標準 ??無線傳感器網(wǎng)絡定位性能的評價標準主要分為7 種， 下面分別進行介紹。 ??1） 定位精度。定位技術首要的評價指標就是定位精確度， 其又分為絕對精度和相對精度。絕對精度是測量的坐標與真實坐標的偏差， 一般用長度計量單位表示。相對誤差一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例表示， 定位誤差越小定位精確度越高。 ??2） 規(guī)模。不同的定位系統(tǒng)或算法也許可以在一棟樓房、一層建筑物或僅僅是一個房間內實現(xiàn)定位。 ??另外， 給定一定數(shù)量的基礎設施或一段時間， 一種技術可以定位多少目標也是一個重要的評價指標。 ??3） 錨節(jié)點密度。錨節(jié)點定位通常依賴人工部署或使用GPS 實現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點的方式不僅受網(wǎng)絡部署環(huán)境的限制， 還嚴重制約了網(wǎng)絡和應用的可擴展性。而使用GPS 定位， 錨節(jié)點的費用會比普通節(jié)點高兩個數(shù)量級， 這意味著即使僅有10%的節(jié)點是錨節(jié)點， 整個網(wǎng)絡的價格也將增加10 倍， 另外， 定位精度隨錨節(jié)點密度的增加而提高的范圍有限， 當?shù)竭_一定程度后不會再提高。因此， 錨節(jié)點密度也是評價定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標之一。 ??4） 節(jié)點密度。節(jié)點密度通常以網(wǎng)絡的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響。 ??在無線傳感器網(wǎng)絡中， 節(jié)點密度增大不僅意味著網(wǎng)絡部署費用的增加， 而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。 ??5） 容錯性和自適應性。定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡節(jié)點設備。 ??而真實環(huán)境往往比較復雜， 且會出現(xiàn)節(jié)點失效或節(jié)點硬件受精度限制而造成距離或角度測量誤差過大等問題， 此時， 物理地維護或替換節(jié)點或使用其他高精度的測量手段常常是困難或不可行的。因此， 定位系統(tǒng)和算法必須有很強的容錯性和自適應性， 能夠通過自動調整或重構糾正錯誤， 對無線傳感器網(wǎng)絡進行故障管理， 減小各種誤差的影響。 ??6） 功耗。功耗是對無線傳感器網(wǎng)絡的設計和實現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點的電池能量有限， 因此在保證定位精確度的前提下， 與功耗密切相關的定位所需的計算量、通信開銷、存儲開銷、時間復雜性是一組關鍵性指標。 ??7） 代價。定位系統(tǒng)或算法的代價可從不同的方面來評價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間； 空間代價包括一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎設施和網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎設施、節(jié)點設備的總費用。 ??上述7 個性能指標不僅是評價無線傳感器網(wǎng)絡自身定位系統(tǒng)和算法的標準， 也是其設計和實現(xiàn)的優(yōu)化目標。為了實現(xiàn)這些目標的優(yōu)化， 有大量的研究工作需要完成。同時， 這些性能指標相互關聯(lián)， 必須根據(jù)應用的具體需求做出權衡以設計合適的定位技術。 ? ??3 主要的WSN 定位方法 ? ??WSN 的定位方法較多， 可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方式的不同來進行分類。在數(shù)據(jù)采集方式上， 不同的算法需要采集的信息有所側重， 如距離、角度、時間或周圍錨節(jié)點的信息， 其目的都是采集與定位相關的數(shù)據(jù)， 并使其成為定位計算的基礎。在信息處理方式上， 無論是自身處理還是上傳至其他處理器處理， 其目的都是將數(shù)據(jù)轉換為坐標， 完成定位功能。目前比較普遍的分類方法有3 種： ??1） 依據(jù)距離測量與否可劃分為： 測距算法和非測距算法。其中測距法是對距離進行直接測量， 非測距法依靠網(wǎng)絡連通度實現(xiàn)定位， 測距法的精度一般高于非測距法， 但測距法對節(jié)點本身硬件要求較高，在某些特定場合， 如在一個規(guī)模較大且錨節(jié)點稀疏的網(wǎng)絡中， 待定位節(jié)點無法與足夠多的錨節(jié)點進行直接通信測距， 普通測距方法很難進行定位， 此時需要考慮用非測距的方式來估計節(jié)點之間的距離，兩種算法均有其自身的局限性；2） 依據(jù)節(jié)點連通度和拓撲分類可劃分為： 單跳算法和多跳算法。單跳算法較多跳算法來說更加的簡便易行， 但是存在著可測量范圍過小的問題， 多跳算法的應用更為廣泛， 當測量范圍較廣導致兩個節(jié)點無法直接通信的情況較多時， 需要多跳通信來解決；3） 依據(jù)信息處理的實現(xiàn)方式可劃分為： 分布式算法和集中式算法。以監(jiān)測和控制為目的算法因為其數(shù)據(jù)要在數(shù)據(jù)中心匯總和處理， 大多使用集中式算法， 其精度較高， 但通信量較大。分布式算法是傳感器節(jié)點在采集周圍節(jié)點的信息后， 在其自身的后臺執(zhí)行定位算法， 該方法可以降低網(wǎng)絡通信量， 但目前節(jié)點的能量、計算能力及存儲能力有限， 復雜的算法難以在實際平臺中實現(xiàn)。 ??普遍認為基于測距和非測距的算法分類更為清晰， 本文以其為分類原則介紹主要的WSN 定位方法。此外， 由于目前非測距算法大多為理論研究， 且實用性較差， 因此， 本文將著重介紹基于測距的定位方法。 ??3.1 基于測距的算法 ??基于測距的算法通常分為2個步驟， 首先利用某種測量方法測量距離（或角度）， 接著利用測得的距離（或角度）計算未知節(jié)點坐標。下面分別進行介紹。 ??3.1.1 距離的測量方法 ??本節(jié)將詳細說明3 種主流的測量方法， 第一種是基于時間的方法， 包括基于信號傳輸時間的方法（time of arrival， TOA）和基于信號傳輸時間差的方法（time difference of arrival， TDOA）； 第二種是基于信號角度的方法（angle of arrival， AOA）； 第三種是基于信號接收信號強度的方法（received signal strengthindicator， RSSI）方法。下面分別進行介紹。 ??1） 基于時間的方法 ??a. 基于信號傳輸時間的方法： ??TOA 技術通過測量信號的傳播時間來計算距離，該技術可分為單程測距和雙程測距， 單程測距即信號只傳輸一次， 雙程測距即信號到達后立即發(fā)回。前者需要兩個通信節(jié)點之間具有嚴格的時間同步， 后者則不需要時間同步， 但是本地時鐘的誤差同樣會造成很大的距離偏差。最典型的應用就是GPS 定位系統(tǒng)。 ??優(yōu)點： 測量方法簡單且能取得較高的定位精度。 ??缺點： Ⅰ。 精確計時難。通常傳感節(jié)點之間通信都采用無線電信號， 由于無線電的傳輸速度非?？?，而傳感節(jié)點之間的距離又較小， 這使得計算發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的信號傳輸時間非常困難。因此利用此技術定位的節(jié)點需要采用特殊硬件來產(chǎn)生用于發(fā)送和接收的慢速無線信號。Ⅱ。 高精度同步難。