第五章(支撑技术-节点定位)2014

5.1 概述
5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 基本概念 基本术语 应用领域 定位算法分类 定位算法特点及要求 性能评价
5.1.1 基本概念
定义：无线传感器网络的定位问题一般指对于一组未知位置坐标的网 络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节 点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点 间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。 • 节点定位技术是无线传感网络的主要支撑技术之一。 • 节点定位问题即根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确定自 身的位置。 • 只有在节点自身正确定位之后，才能确定传感器节点监测到的事件的 具体位置，这需要监测到该事件的多个传感器节点之间相互协作，并 利用他们自身的定位机制确定事件发生的位置。 • 可以说，没有位置信息的数据往往是毫无意义的。 • 在传感器网络中，传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信 息的前提。
• 在现实应用中，无线传感器网络的定位技术可以应用在许多重要的领 域，几乎包括所有无线传感器技术能够应用到的领域，包括传统应用 有军事，监控，应急，环境，防空等领域，新兴应用将涉及家用，企 业管理，保健，交通等领域。
5.1.4 定位算法分类
近年来出现了多种定位算法，在特定条件下，某些算法在某些性能指 标上可能优于其它算法，而在其它方面可能处于劣势。在一定意义下 ，具有普遍性的公认为最优秀的定位算法目前尚未产生。 尽管无线传感器网络自身定位系统和算法的分类还没有一个统一的标 准，也不一定适用于每一种定位系统和算法，但下面这些分类方法能 在一定程度上刻画不同定位技术的特点。
5.1.6 性能评价
(5)容错性和自适应性。通常，定位系统和算法都需要比较理想的无线通 信环境和可靠的网络节点设备。但在真实应用场合中常会有诸如以下 的问题：外界环境中存在严重的多径传播、衰减、非视距(non-lineof-sight，简称NLOS)、通信盲点等问题；网络节点由于周围环境或 自身原因(如电池耗尽、物理损伤)而出现失效的问题；外界影响和节 点硬件精度限制造成节点间点到点的距离或角度测量误差增大的问题。 由于环境、能耗和其他原因，物理地维护或替换传感器节点或使用其 他高精度的测量手段常常是十分困难或不可行的。因此，定位系统和 算法的软、硬件必须具有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调 整或重构纠正错误、适应环境、减小各种误差的影响，以提高定位精 度。 (6)功耗。功耗是对WSN的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器 节点电池能量有限，因此在保证定位精度的前提下，与功耗密切相关 的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键 性指标。
5.1.2 基本术语


跳数(Hop Count)：两个节点之前间隔的跳段总数，称为两个节点之 间的跳数； 锚节点（Anchor nodes）：通过自主定位或人工配置的方法已知位置 的节点； 未知节点（Unknown nodes）：不能自主定位，需要依靠一定的定位 算法和锚节点的位置信息来定位的节点。 邻居节点(Neighbor Nodes)：传感器节点通信半径内的所有其他节点， 称为该节点的邻居节点； 到达时间(Time of Arrival，TOA)：信号从一个节点到另一个节点所 需要的时间，称为信号到达时间； 到达时间差(Time Difference of Arrival ，TDOA)：两种不同传播速 度的信号从一个节点到另一个节点所需要的时间之差，成为信号的到 达时间差； 到达角度(Angle of Arrival，AOA)：节点接收到的信号相对于自身 轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度；
《无线传感器网络》讲义
MICA2 mote by Intel and the University of California, Berkeley
第五章 支撑技术
——节点定位技术
节点定位技术
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述 测距方法 基于距离或到达角度的定位技术 无需测距的定位技术 典型定位系统
5.1.4 定位算法分类

物理定位与符号定位
按照定位系统提供的两种类型的定位结果：物理位置(Physical Positjon)和符号位置(Symbolic Location)，分为物理定位与符号定 位 。 例如，某个节点位于某个经纬度就是物理位置；而某个节点在建筑物 的某个房间就是符号位置。
一定条件下，物理定位和符号定位可以相互转换。 与物理定位相比，符号定位更适于某些特定的应用场合，例如，在安 装有无线烟火传感器网络的智能建筑物中，管理者更关心某个房间或 区域是否有火警信号，而不是火警发生地的经纬度。 大多数定位系统和算法都提供物理定位服务，符号定位的典型系统和 算法有Active Badge、微软的Easy Living等，MIT的Cricket定位系 统则可根据配置实现两种不同形式的定位。
5.1.6 性能评价
(3)锚节点密度。锚节点定位通常依赖人工部署或GPS实现。人工部署锚 节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的 可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量 级，这意味着即使仅有10％的节点是锚节点，整个网络的价格也将增 加lO倍。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。 (4)节点密度。在WSN中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加， 而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。节点密度通 常以网络的平均连通度来表示。许多定位算法的精度受节点密度的影 响，如DV-Hop算法仅可在节点密集部署的情况下合理地估算节点位置。
5.1.4 定位算法分类

基于测距定位和无需测距定位 根据是否采用测距，分为基于测距(Range-based)的算法和无测距 (Range-free)的定位算法。
无测距定位时，节点不装配测距或测角设备，硬件成本低，但相对基 于测距的算法则定位精度稍差。 对大多数应用如路由和目标追踪等，误差小于40％仍可满足要求，无 测距定位有着明显的成本优势。 无测距的定位算法仅依赖所接收的通信消息，但需要锚节点配合，如 质心算法、APIT算法、DV-HOP算法、Amophous、凸规划和MDS-MAP等 。其精度一般取决于锚节点配置精度和锚节点的配置密度。
集中式计算的优点在于，从全局角度统筹规划，计算量和存储量几乎没有限 制，可获得相对精确的位置估算。它的缺点包括与中心节点位置较近的节点 会因为通信量大而过早消耗完电能，导致整个网络与中心节点信息交流的中 断，无法实时定位等。 相对于集中式算法，分布式算法有更为广泛的应用。分布式算法也称并发式 算法，即定位过程只需与邻居节点进行通信，计算在本节点处完成。除上述 集中式以外的其它算法均为分布式定位算法。
5.1.4 定位算法分类

集中式计算定位与分布式计算定位 集中式计算(Centralized Computation)就是指把所需信息传送到某 个中心节点(例如一台服务器)，并在那里进行节点定位计算的方式。 分布式计算(Distributed Computation)是指依赖节点间的信息交换 和协调，节点自行计算的定位方式。
5.1.5 定位算法特点及要求
在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点数量规模大 且随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出 了很高的要求。传感器网络的定位算法通常要求具备以下特点： (1)自组织性：传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协 助定位。 (2)健壮性：传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差、测量距离时 会产生误差，算法必须具有良好的容错性。 (3)能量高效：尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开 销，以尽量延长网络的生存周期。 (4)分布式计算：每个节点尽量计算自身位置，不能将所有信息传送到某 个节点进行集中计算。
5.1.1 基本概念
获得节点位置的一个直接想法是使用全球定位系统(GPS)来实现，但 是在无线传感器网络中使用GPS来获得所有节点的位置受到价格、体 积、功耗等因素限制，存在着一些困难。因此，需要在大部分节点不 具备GPS定位功能下，设计新型的节点定位机制。目前主要的研究工 作是利用少量已知位置节点(参考节点即锚节点，采用GPS定位或者预 先放置的节点)，来获得其它节点的位置信息。
5.1.4 定位算法分类

绝对定位和相对定位
按照定位结果是否为绝对坐标，可分为绝对定位与相对定位。
绝对定位的定位结果是一个标准的坐标位置，如经纬度。而相对定位 通常是以网络中部分节点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。 绝对定位可为网络提供唯一的命名空问，受节点移动性影响较小，有 更广泛的应用领域。但研究发现，在相对定位的基础上也能够实现部 分路由协议，尤其是基于地理位置的路由，而且相对定位不需要锚节 点。
(2)规模。不同的定位系统或算法也许可在园区内、建筑物内、一层建筑 物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或 在一段时间内，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。 例如，RADAR系统仅可在建筑物的一层内实现目标定位，剑桥的 Active Office定位系统每200ms定位一个节点。
5.1.2 基本术语

视线关系(Line of Sight，LOS)：两个节点间没有任何障碍物间隔， 能够直接通信，称为两个节点间存在视线关系； 非视线关系(No LOS，NLOS)：两个节点之间存在障碍物； 接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator ， RSSI)： 节点接牧到无线信号的强度大小，称为接收信号强度的指示。
5.1.3 应用领域
• 对于大多数应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传 感器节点必须明确自身位置才能详细说明：“在什么位置或区域发生 了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。另一方面，了解传感 器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署 者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置 等。