無線傳感器網絡定位技術綜述

4 新型WSN 定位研究分析

除了傳統的定位方法， 新型的無線傳感器網絡定位算法也逐漸出現， 如利用移動錨節點來定位未知節點、在三維空間內定位未知節點、以及采用智能定位算法來提高定位精度等， 下面分別介紹。

4.1 基于移動錨節點的定位算法

利用移動錨節點定位可以避免網絡中多跳和遠距離傳輸產生的定位誤差累計， 并且可以減少錨節點的數量， 進而降低網絡的成本。如MBAL(mobilebeacon assisted localization scheme)定位方法， 錨節點在移動過程中隨時更新自身的坐標， 并廣播位置信息。未知節點測量與移動節點處于不同位置時的距離， 當得到3 個或3 個以上的位置信息時， 就可以利用三邊測量法確定自己的位置， 進而升級為錨節點。此外， 移動錨節點用于定位所有未知節點所移動的路徑越長則功耗越大， 因此對移動錨節點的活動路徑進行合理規劃可以減小功耗。

文獻[48]提出了一種基于加權最小二乘法的移動錨節點定位距離估計算法， 作者首先建立一個移動模型， 錨節點沿著線性軌跡移動， 使用加權最小二乘法來減小距離估計誤差， 并在Cramér-Raobound(CRB) 的基礎上分析了距離估計的最小誤差邊界， 該算法在距離估計和位置估計方面都有較好的性能。

利用移動錨節點自身的可定位性和可移動性可定位網絡局部相關節點， 但移動錨節點的路徑規劃算法和采取的定位機制需要深入考慮。2009 年發表的關于WSN 定位的文章中， 約25%是關于移動節點定位的。

4.2 三維定位方法

隨著傳感器網絡的空間定位需求不斷提升， 三維空間場景下的定位也成為了一個新的研究方向。

目前的三維定位算法包括基于劃分空間為球殼并取球殼交集定位的思想， 提出的對傳感器節點進行三維定位的非距離定位算法APIS(approximatepoint in sphere) 。在此基礎上針對目前三維定位算法的不足， 提出的基于球面坐標的動態定位機制， 該機制將定位問題抽象為多元線性方程組求解問題，最終利用克萊姆法則解決多解、無解問題。建立了WSN 空間定位模型并結合無線信道對數距離路徑衰減模型， 為解決不適定型問題提出了Tikhonov 正則化方法， 并結合偏差遠離方便的得到了較優的正則化參數， 在3.5 m×6 m×3 m 的區域內定位精度可控制在2 m。

三維定位方法可擴展WSN 的應用場合， 目前三維定位在許多方面還有待完善， 如獲取更準確的錨節點需要尋求更精確的廣播周期和消息生存周期， 縮減定位時間需要改進錨節點的選擇和過濾機制等。

4.3 智能定位算法

隨著電子技術的發展和芯片計算能力的提高，傳感器網絡節點本身的性能也有提升， 復雜算法也可以在網絡中實現。因此， 智能定位算法也紛紛被提出。

對于無線傳感器網絡的戶外三維定位， 將錨節點固定在直升機上通過GPS 實時感知自身位置， 采用基于RSSI 的測距方法， 利用粒子濾波定位技術實現定位， 該方法不需要任何關于未知節點的先驗知識， 非常適合應用于戶外定位。

神經網絡對于解決無線傳感器網絡的定位問題是一個切實可行的辦法， 將3 種神經網絡： 多層感知神經網絡， 徑向基函數神經網絡和遞歸神經網絡與卡爾曼濾波的2 個變形進行比較， 可以根據不同情況下的定位需求靈活選擇定位方法。使用神經網絡和網格傳感器訓練的靈活的模型， 可以提高定位精度， 且不需要額外的硬件支持。網絡訓練每隔一段時間進行一次更新來最小化誤差， 并且通過增加網格節點密度來提高定位精度。

對于節點定位中的非視距問題， 常規的辦法是采用機器學習中的支持向量回歸(support vector regression,SVR) 方法進行定位以降低誤差， 但其定位精度仍然受到一定的非視距誤差影響， 為了降低這種影響， 研究人員提出了基于直推式回歸的定位算法。利用錨節點的坐標和TOA 信息并借用核函數直接推導出未知節點的位置， 進一步提高定位 精度。

雖然智能定位算法已經成為一個新的研究方向，但由于WSN 網絡本身屬于低能耗的網絡， 單個節點的計算能力還比較低， 目前智能定位算法不普遍適用于實際的WSN 定位系統， 但隨著低功耗技術、微處理器技術、FPGA 技術的發展， 智能定位算法將在未來的定位系統中得到廣泛的應用。

5 研究前景與應用分析

截至目前， 無線傳感器網絡定位研究已廣泛開展并取得了許多研究成果， 但仍存在著一些沒有被解決或被發現的問題， 目前最為關鍵的問題仍然是WSN 節點的能耗問題， 一切的定位算法應該在精度和能量消耗上選取一個較為折衷的效果。下面將對目前存在的問題及相應可能的解決方案進行介紹。

1) 實用性差。大部分基于非測距的定位算法只是停留在理論研究階段， 且大都是在仿真環境下進行的， 需要假設很多不確定因素， 而這些因素在實際應用中往往不能滿足， 則這些算法就失去了實際的意義。因此定位算法的設計應該更多的從實際應用上考慮， 結合實際應用情況設計實用的定位算法。

2) 應用環境單一。多數的算法都是針對特定的應用場景進行設計的， 也就是說， 每個算法都只能解決特殊的問題或應用于特定的場景， 一旦環境發生變動， 算法或系統的測量誤差將增大甚至不再適用。因此， 探索更具通用性的定位算法或定位系統， 將其應用于更為復雜多變的環境中是一項新的挑戰。

3) 受硬件限制。在實際定位中， 一些算法由于受到傳感器節點硬件成本和性能的限制， 如某些算法需要在定位節點上增加GPS, 超聲波收發器， 有向天線陣列等設備， 增加了節點硬件成本， 阻礙了其在實際定位系統中的應用。因此， 算法設計應多考慮WSN 節點的實際情況， 如只在部分節點上增加額外硬件， 或根據實際節點資源受限情況采用其他定位算法等。

4) 能量受限。測量精度、容錯性和能量消耗等問題也是目前無線傳感器網絡研究的熱點， 更是定位技術研究的熱點。通常情況下， 高測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消耗上進行有效的折衷。因此， 可以在提高儲能設備的容量， 或利用可能的外界環境資源為節點提供能量方向進行研究， 另外， 提出高效、節能、符合實際情況的無線傳感器網絡定位算法將具有現實的意義。

5) 安全和隱私問題。在大范圍部署的無線傳感器網絡中， 安全和隱私的問題也是一個主要的研究方向。一方面， 一些應用需要節點位置信息， 另一方面， 向一些不需要知道位置的節點透露位置信息則會使網絡面臨安全問題。此外， 鑒于無線傳感器網絡的性質， 集中式算法在后臺處理定位程序也使得節點的位置信息通過層層傳遞被過多的節點所知曉，因此分布式算法相對于集中式算法可以減少信息傳遞次數， 增強網絡安全性， 另外， 在網絡通信中使用信息加密也可以提高網絡安全性。就2009 年發表的定位相關文章來說， 每4 篇發表的文章中就有1 篇提出的是分布式算法。

未來的無線傳感器網絡定位在解決上述問題之后將廣泛應用于各類領域， 包括安全定位、變化的環境、三維空間等。

6 結 論

結合近年來無線傳感器網絡定位技術的發展狀況， 對無線傳感器網絡定位的基本概念、評價標準以及國內外研究現狀進行了概述， 重點對基于測距和基于非測距的無線傳感器網絡定位算法進行了分析， 并列舉了一些新型WSN 定位的算法， 總結了目前無線傳感器網絡定位領域研究存在的問題和一些可以研究的內容和方向。希望本文能夠為無線傳感器網絡定位相關領域的研究者提供一些參考和借鑒。