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无线传感器网络 --- 传感器定位技术 无线传感器网络 传感器定位的技术背景 传感器可能需要被放置在人员不能到达的地方 （功能较强的）汇聚节点数目有限 成本因素 安装复杂性 动态环境的变化 不包含位置信息的数据难以被应用 传感器资源极度有限 传感器定位的技术背景 传统定位方式：由于无线传感器网络的节点数量巨大且传感器节点是自组织分布的,在每个节点中配置GPS接收器或人工放置节点的方法都是不现实的。 基本思想：传感器网络中的某些节点（sink 节点）可以找到自己的精确位置，然后参照此基准，利用局部定位算法，其他节点也可以正确定位。 选择与设计传感器定位需要考虑的因素 硬件设备 信号传播模式 定时和能源要求 网络结构（同构的或异构的） 环境特性（室内还是室外） 节点密度 设备的时间同步 通信费用 误差要求 设备灵活性等。 定位性能的评价指标 位置精度 覆盖范围 刷新速度 功耗 位置精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。 绝对精度指以长度为单位度量的精度。 相对精度通常以节点之间距离的百分比来定义。 覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。 刷新速度是指提供位置信息的频率。 功耗作为传感器网络设计的一项重要指标，对于定位这项服务功能，人们需要计算为此所消耗的能量。 定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。 传感器网络定位技术的分类 集中定位技术：传感器节点都将数据传输到一个中心位置，在这里执行计算来决定每个节点的位置。 信费用高和固有的延迟，不合适移动应用。 分布式定位技术：每个节点只需依靠与临近节点的有限通信就可决定自己的位置。根据位置估测机制的不同，我们又将分布式定位技术分成两类：距离相关（Range-based）定 位和距离无关(Range-free)定位 Range-based 定位机制的基本特点 Range-based 定位机制：根据点到点的绝对距离或角度来估计位置 依赖于多种通信源 精确的时钟 通信设备间的角度推导 需要复杂的硬件来实现 传感器技术要求高 消耗电能也太多 Range-free 定位机制的基本特点 Range-free 定位机制：在不需要复杂的定位硬件情况下能够提供足够精度的位置估计。它通常利用邻近信息和连通信息来实现定位。 距离无关定位算法中，局部定位技术要求汇聚节点数量多而且到处分布能够覆盖整个网络。 Range-based 定位技术：TOA TOA(Time of Arrival) 技术一般通过信号传播时间来获得距离信息。 TOA 的精确性高 需要相对较快的处理能力来解决计时出现的误差(短距离测量)因此该方法,需要昂贵和耗能的电子设备 应用： 不适合无线Ad-hoc 传感器网络中的定位 GPS Range-based 定位技术：TDOA TDOA（Time Difference of Arrival）技术被广泛应用在无线传感器网络定位方案中。已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。通过记录两种不同信号到达时间差异，基于已知信号传播速度，直接把时间转换为距离。 TDOA 也依赖大量的昂贵且消耗能量的硬件，这使得它也不适于低能源的传感器网络设备。此外，信号传输距离较短，要求节点密集布局。 Range-based 定位技术：AOA AOA (Angle of Arrival)技术允许节点估测相邻节点间的相对角度。AOA 方法利用天线矩阵来测量信号到达时的角度，角度又结合估计的距离或其它角度测量法来得到位置。该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。AoA测距技术易受外界环境影响，且需要额外硬件，它的硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。 Range-based 定位技术：RSSI RSSI（Received Signal Strength Indicator,接收信号强度指示）技术，通过测量发送者和接收者之间无线信号强度的衰减度，并据此估测二者的距离。该技术主要使用射频信号。 由于诸如多路衰减、背景噪声和不规则的信号传播特性，使得该距离估测不准确。 可以通过距离估计、两相的精确估计和参数校准等方法，这些方法都利用平均、平滑、多种方法的混合技术来将误差减少至某个可以接受的范围内。 Range-based 定位技术：RSSI 无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系 Range-based 定位技术：小结 距离相关定位方法依靠距离测量算法来估计相邻节点间的距离，不同的测量技术将在准确度、复杂性、费用和能源等要求之间寻求不同的平衡。 太大的测量误差导致许多无用的位置信息。这就是