无线传感器网络技术及其应用 战略性新兴产业系列丛书——物联网 教学课件 ppt 作者 王汝传 孙力娟 第四章 无线传感器网络定位、跟踪与时间同步技术

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1、无线传感器网络技术及其应用,第四章 无线传感器网络定位、跟踪与 时间同步技术,课程目录,4.1,4.2,无线传感器网络定位技术,无线传感器网络跟踪技术,无线传感器网络时间同步技术,4.3,无线传感器网络的发展与安全趋势,4.1,无线传感器网络定位技术,定位是无线传感器网络重要的支撑技术，定位就是确定位置。无线传感器网络的定位是指自组织的网络通过特定方法提供节点位置信息。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络中节点为坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖范围内目标的坐标位置。,1,4.1,无线传感器网络定位技术,在传感器网络中，没有统一的最优的定位算法，只有针对特定

2、环境比较适合的定位算法。按照下面的标准对定位算法进行分类： 1基于测距的定位和无需测距的定位 2绝对定位与相对定位 3集中式计算、分布式计算与递增式计算,2,4.1,无线传感器网络定位技术,1基于测距的定位和无需测距的定位 前者需要测量相邻节点之间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离或者方位来计算未知节点的位置，常用的测距技术有RSSI（到达信号强度测量法）、TOA（到达时间测量法）、TDOA（到达时间差测量法）等。虽然在定位精度上有一定可取之处，但是并不适用于低功耗、低成本的领域。基于无需测距的定位算法无需测量节点之间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点的位置，如典型的D

3、V-Hop定位、凸规划定位。虽然在精确度方面有待进一步改进，但是具有可扩展性、规模性以及代价小等优点。,3,4.1,无线传感器网络定位技术,2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间，受网络变动影响较小，有非常广泛的应用领域。大多数定位系统都可以实现绝对定位，只有部分定位系统和算法能实现相对定位。,4,4.1,无线传感器网络定位技术,3集中式计算、分布式计算与递增式计算 集中式计算是指把所需要的定位信息集中传送到某个中心节点（如汇聚节点），由该节点进行集中计算未知

4、节点的位置。分布式计算是指由节点间进行信息交换，未知节点根据自身获取足够的信息进行自身位置计算的计算方式。集中式计算的优点是可以从全局角度出发更好地进行规划，从而获得相对精确的定位。缺点是中心节点以及它周围的节点通信开销过大、能耗过快，易造成个别节点过早死亡，从而影响其它节点的定位。分布式计算可使网络中所有节点同时进行位置计算。递增式计算通常是从信标节点开始，信标节点周围的节点首先开始定位，依次向外延伸，逐步实现整个网络的定位。递增式算法的缺点是在定位过程中误差容易被积累和放大。,5,课程目录,4.1,4.2,无线传感器网络定位技术,无线传感器网络跟踪技术,无线传感器网络时间同步技术,4.3,

5、无线传感器网络的发展与安全趋势,课程目录,4.1.1,4.1.2,无线传感器网络测距技术,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,现有无线传感器网络定位方法,4.1.3,无线传感器网络定位技术,4.1,4.1.1,无线传感器网络测距技术,测距即测量两个节点之间的距离，一般常采用物理信号测量方式，如无线电、声波和磁场等。根据各种物理信号的优缺点，常用的方法有到达时间测量法（TOA）、到达时间差测量法（TDOA）、到达信号强度测量法（RSS）等。,1,测距中用到的基本术语: 接收新信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：节点接收到无线信号的强度

6、的大小，称为接收信号的强度指示。 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。 视线关系（Line of Sight，LOS）：两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信，称为两个节点间存在视线关系。 非视线关系（NLOS，no LOS）：两个节点之间存在障碍物。,2,4.1.1,无线传感器网络测距技术,一些测距方法: 1到达时间测量法（Time of Arrival，TOA） 2到达时间差测量法（Time Difference of Arrival，TDOA） 3到达信号强度测量法（RSSI）,3,4.1.1,无线传

7、感器网络测距技术,1到达时间测量法（Time of Arrival，TOA） 已知物理信号的传播速度v，根据信号的传播时间t来计算节点间的距离，即距离d=vt。此方法要求进行通信的两个节点时间必须高度同步。,4,4.1.1,无线传感器网络测距技术,2到达时间差测量法（Time Difference of Arrival，TDOA） 发送节点同时发射两种不同速率的无线信号，接收节点根据两种信号的时间到达差和速率，计算这两个节点之间的距离。节点A在T0时刻同时发射无线射频信号和超声波信号，节点B分别记录这两种物理信号的到达时间T1和T2，已知无线射频信号和超声波的速率分别为v1，v2，设两节点之间

8、的距离为d，由 可得：,5,4.1.1,无线传感器网络测距技术,6,4.1.1,无线传感器网络测距技术,3到达信号强度测量法（RSSI） 信号强度会随着其传播距离的增加而衰减,表明信号强度变化与传播距离间存在着某种函数关系。无线信道的数学模型如式： d是发射机和接收机之间的距离，d0是参考距离；n是信道衰减指数，一般取值24；X 是均值为零、方差 的高斯随机变量；PL(d0)是距离发射机d0处的信号强度。 它是一种低功率、廉价的测距技术，但是信号强度很容易受到周围环境的影响，通常将其看做一种粗糙的测距技术。,7,4.1.1,无线传感器网络测距技术,课程目录,4.1,4.2,无线传感器网络定位技

9、术,无线传感器网络跟踪技术,无线传感器网络时间同步技术,4.3,无线传感器网络的发展与安全趋势,课程目录,4.1.1,4.1.2,无线传感器网络测距技术,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,现有无线传感器网络定位方法,4.1.3,无线传感器网络定位技术,4.1,1定位机制 解析几何中的任何可以确定某一点位置的几何学方法，只要传感器网络能够提供足够的信息，都可以成为定位的方法。比较常用的是三边定位法、多边极大似然估计法以及角度测量法。 定义： 信标节点：已知节点坐标或者位置信息的节点，有的书籍也称为锚节点。 未知节点：坐标或者位置信息未知的节点。,1,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评

10、价标准,（1）三边定位法 已知3个信标节点的坐标和其中1个未知节点到3个信标节点的距离，求该未知节点的坐标。,2,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,设未知节点D的坐标为（x，y），信标节点的A、B、C的坐标分别为（xA，yA）、（xB，yB）、（xA，yC），未知节点到3个信标节点的距离分别为dA、dB、dC，则 从而可以推出未知节点的坐标为,3,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,（2）多边极大似然估计法 多边极大似然估计法是指已知3个以上的信标节点的坐标和它们到未知节点的距离，求解该未知节点的坐标。 设节点1，2，3，4，n个节点的坐标分别为 、 、 、 ，它

11、们到节点D的距离分别为d1、d2、d3、dn，节点D的坐标为（x，y），则,4,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,5,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,从第一个方程开始分别减去最后一个方程可得如下线性方程：,6,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,简化为矩阵相乘的方式：AX=b 使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为：,7,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,（3）角度测量法 原理如图4-4所示，已知信标节点A、B、C的坐标分别为 ， ， 和3个内角 、 、 。设未知节点D的坐标为 ，则对于节点A、C和角 ，如果弧段AC在

12、 中，那么能够唯一确定一个圆，设圆心 ，半径为r1，则 ，并存在下列公式： 能够确定圆心O1点的坐标和半径r1。 同理对A、B，ADB和B、C，BDC 分别能够确定相应的圆心 、 半径r2、圆心 、半径r3。,8,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,最后，利用三边定位法，由点 ， ， 确定节点D的坐标。,9,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,2定位性能评价标准 无线传感器网络自身定位系统和算法有很多，它们的性能直接影响其可用性。几个常用的评价标准： （1）定位精度 定位精度是指定位系统提供的位置信息的精确程度，是评价指标中的首要标准。定位精度有相对精度和绝对精度。

13、精度越高，技术要求越高，成本也相应越高。绝对精度是指以长度为量度的精度。相对精度通常以误差值与节点的无线射程的比例表示。,10,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,（2）覆盖范围 覆盖范围是指节点的射程范围，覆盖范围越大，精度越高的定位机制是最佳的选择。覆盖范围和定位精度是一对矛盾。覆盖范围越大，提供的精度越低。在实际应用中可以根据具体情况在覆盖范围和定位精度之间做出折中，以达到较好的定位效果。,11,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,（3）信标节点密度 不同的定位方案对信标节点的数量要求不同，如三边定位算法要求3个信标节点、多边极大似然估计法需要至少3个信标节点

14、。信标节点一般都是通过人工部署或者全球定位系统（GPS）获取其地址的。信标节点的密度越小越好。,12,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,（4）容错性和鲁棒性 定位算法通常是在比较理想的通信环境和一些测量指标比较准确的情况下才能达到精确定位。在实际网络环境定位过程中，通常存在因为周围环境的影响而产生的测离和角度误差太大从而影响定位精度，网络节点能量耗尽、物理损伤等自身原因而过早死亡，引起其他节点的定位过程中断或者不能实现等诸多情况。因此，定位系统要有一定的容错性和鲁棒性从而减小定位误差提高定位精度，以更好地适应周围环境。,13,4.1.2,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,课

15、程目录,4.1,4.2,无线传感器网络定位技术,无线传感器网络跟踪技术,无线传感器网络时间同步技术,4.3,无线传感器网络的发展与安全趋势,课程目录,4.1.1,4.1.2,无线传感器网络测距技术,无线传感器网络定位机制与性能评价标准,现有无线传感器网络定位方法,4.1.3,无线传感器网络定位技术,4.1,1Cricket定位系统 2质心定位算法 3TOA和TDOA定位方法 4AOA定位算法 5RSSI定位方法 6DV-HOP定位方法 7Amorphous定位方法 8APIT定位方法,1,4.1.3,现有无线传感器网络定位方法,1Cricket定位系统 Cricket是一种基于TDOA测距技术的室内定位系统，与其他定位系统不同的是，它通过测量到未知节点最近的信标节点计算静止或者移动目标在大楼内具体房间的哪一区域，而不是绝对位置。Cricket系统没有中心管理或者控制系统，而是分布式管理，为了更好地通信，把信标节点和发射器布置在天花板上。,2,4.1.3,现有无线传感器网络定位方法,2质心定位算法 质心定位算法是一种与距离无关的估计定位算法，质心也即多边形的几何中心，多边形的顶点坐标的平均值为质心坐标。多边形ABCD的顶点是 ， ， ， ，则质心坐标为