无线传感器网络技术及应用七剖析.pptVIP

第7章 无线传感器网络的节点定位技术  　　　　　7.1 节点定位技术简介7.1.1 节点定位的几个基本概念　　1．节点定位概述　　定位就是确定位置。确定位置在实际应用中有两种意义，一种是确定自己在系统中的位置，另一种是确定目标在系统中的位置。在传感器网络中，节点定位技术就是无线传感器网络节点通过某种方法在基于已知节点位置信息的情况下来计算和确定未知节点或者目标节点的坐标位置的技术。在应用中，只有知道节点的位置信息才能实现对目标信息的监测，这就需要监测到该事件的多个传感器节点之间的相互协作。 　　在传感器网络应用中，节点一般采取随机放置的方法。由于数目很多，不可能每个节点都要定位和确定位置信息。因此，通常仅对其中5%～10%的节点使用定位系统，一般的方法是采用GPS定位设备来获得自身的精确位置。目前研究的主要方向包括两个：一个是利用锚节点基于定位算法来确认其他节点的位置，这些锚节点事先借助外部设备已经确定好了自身位置；另一个是事先设置好锚节点建立坐标系，其他节点随机摆放，然后再利用定位算法来计算未知节点的坐标位置。 　　传统的获得节点位置的方法是使用全球定位系统(GPS)来实现。但是GPS全球定位系统受价格高、体积大、功耗大等因素制约，所以大规模应用十分困难。目前主要的研究工作是利用已知位置的锚节点通过定位算法来估算和确认其他未知节点的位置信息。　　2．定位算法的评价标准　　无线传感器网络定位技术的性能十分重要，一般通过以下几个标准来评定定位技术的性能。 　　(1) 定位精度。无线传感器网络定位技术首先要考虑到定位精度。比如，在基于距离定位的算法中，可以用定位坐标与实际坐标的距离来对比；在非距离定位的算法中，常用误差值和节点通信半径的比例来表示。　　(2) 代价。定位算法需要很多代价，包括时间代价(包括一个系统的安装时间、配置时间和定位所需时间)、资金代价(包括实现定位系统的基础设施和节点设备的总费用)和硬件代价(包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等)。 　　(3) 规模。不同的定位算法适用的应用场合范围和规模也不同。大规模的定位算法可在大范围的场合应用，比如森林或者城市内；中等规模算法可在大型商场、小区和学校内进行定位应用；小规模的定位算法只能在一栋楼内或者一个房间内实现定位应用。　　(4) 定位覆盖率。在定位系统中，能够实现定位的未知节点的数目占整个未知节点数目的比例称为定位覆盖率。　　(5) 锚节点密度。锚节点通常需要人工部署，这些节点常常会受到网络部署环境的制约，会严重影响无线传感器网络应用的可扩展性。所以锚节点的密度会严重影响整个传感器网络的成本。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。 　　(6) 网络连通度。在定位系统中，网络的连通性会直接影响到定位算法的精度。比如，距离向量路由算法对网络连通度要求就很高。节点的密度是影响网络连通度的主要原因，节点密度提高了，传感器网络的成本也随之升高了。　　(7) 鲁棒性。在理想的实验室环境内，大部分定位算法误差性比较小。但是在实际应用场合，有许多干扰因素影响测量结果。比如，障碍物引起的非视距(NLOS)、大气中存在严重的多径传播、部分传感器节点电能耗尽、节点间通信阻塞等问题容易造成定位误差突发性增大，甚至造成整个定位系统的瘫痪。因此，传感器网络定位算法必须具有很强的鲁棒性，以减小各种误差的影响，提高定位精度和可靠性。 　　3．WSN的定位技术应用　　除用来提供监测区域内节点的位置信息外，无线传感器网络定位技术还具有下列应用：　　(1) 定向信息查询。如果监测需要，可以对某一个监测区内的监测对象进行定位，需要管理节点发送任务给这个区域内的传感器节点。　　(2) 协助路由。通过节点的位置信息路由算法可以进行路由的选择。　　(3) 目标跟踪。对目标的行动路线进行实时监测，并且预测目标的前进轨迹。　　(4) 网络管理。使用定位技术可以实现网络管理，利用这些节点传送过来的节点位置信息来构成网络的拓扑结构，可以对整个网络的覆盖情况实时观察，并且也可以对节点分布情况进行管理。 7.1.2 节点定位技术基本原理　　在传感器节点定位过程中，未知节点在获得对于邻近信标节点的距离或邻近的信标节点与未知节点之间的相对角度后，通常使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法来计算自己的位置，最后对得到的位置值进行修正，提高定位精度，减少误差。　　1．三边测量法　　三边测量法(Trilateration)如图7.1所示，已知A、B、C三个节点的坐标分别为(xa, ya)、(xb, yb)、(xc, yc)，它们到未知节点D的距离分别为da、db、dc，假设节点D的坐标为(x, y)，那么可以获得一个非线性方程组： 图7