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1、无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络第一章第一章 无线传感器网络概述无线传感器网络概述定位技术简介定位技术简介基于距离的定位基于距离的定位距离无关的定位算法距离无关的定位算法6.1 定位技术简介定位技术简介 在无线传感器网络中，在无线传感器网络中，传感器节点自身位置信息传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基的获取是大多数应用的基础。础。 首先，传感器节点必首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细须明确自身位置才能详细说明说明“在什么位置发生了在什么位置发生了什么事件什么事件”， 从而实现对从而实现对外部目标的定位和跟踪；外部目标的定位和跟踪； 其次，了解传感器节其次，
2、了解传感器节点的位置分布状况可以对点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率，提高网络的路由效率， 从从而实现网络的负载均衡以而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置，及网络拓扑的自动配置， 改善整个网络的覆盖质量。改善整个网络的覆盖质量。6.1 定位技术简介定位技术简介 这种自组织网络定位分为节点自身定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位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。坐标位置。 节点自身定位是网络自身属
3、性的确定节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标定或者各种节点自过程，可以通过人工标定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。网络覆盖范围内所在的位置。6.1 定位技术简介定位技术简介 当前对节点定位问题的研究一般都基于以当前对节点定位问题的研究一般都基于以下前提下前提: (1)有一定比例的节点位置己知或具有有一定比例的节点位置己知或具有GPS定位功能，这些节点的位置可作为定位功能，这些节点的位置可作为 定位参考点定位参考点; (2)节点具
4、有与邻近节点通信的能力节点具有与邻近节点通信的能力; (3)节点不具有自主移动能力。节点不具有自主移动能力。6.1 定位技术简介定位技术简介人工配置每个节点的位置信息人工配置每个节点的位置信息(1)传感器网络通常部属于人类不可达的区域(2)人工配置大量节点的位置，既容易造成人为错误，又影响网络 的快速部署，并且还违背传感器网络的自组织原则全球定位系统全球定位系统 GPS(1)成本考虑：传感器节点要求造价低廉以便于大量生产和部署，而 GPS 接收设备成本较高(2)传感器节点通常依靠电池供电，能量供给有限，GPS 接收设备能耗过高(3)GPS 设备只能适用于无遮挡的室外环境，而传感器节点可能部署于
5、复杂环境，使得 GPS 设备难以工作。6.1 定位技术简介定位技术简介传感网络的定位算法通常需要具备的特点：传感网络的定位算法通常需要具备的特点：自组织性：节点随机分布，不能依靠全局自组织性：节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位；的基础设施协助定位；健壮性：节点测量数据时有误差，算法需健壮性：节点测量数据时有误差，算法需具有良好的容错性；具有良好的容错性；能量高效：算法计算复杂度要小，减少通能量高效：算法计算复杂度要小，减少通信开销，延长网络的生命周期；信开销，延长网络的生命周期；分布计算：节点计算自身的位置，不能将分布计算：节点计算自身的位置，不能将信息集中到某个节点进行计算。信息集
6、中到某个节点进行计算。6.1.1 基本概念和算法基本概念和算法1.传感器节点定位的基本概念传感器节点定位的基本概念 信标节点：所占比例小，可以通过信标节点：所占比例小，可以通过GPS定定位来获得精确位置。位来获得精确位置。 未知节点：通过信标节点位置信息来确定未知节点：通过信标节点位置信息来确定自身位置。自身位置。6.1.1 基本概念和算法基本概念和算法2.基本术语基本术语(1) 锚点锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。(2) 测距测距：指两个
7、相互通信的节点通过测量方式来估计出彼：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。此之间的距离或角度。(3) 连接度连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。：包括节点连接度和网络连接度两种含义。 节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。器配置的密集程度。(4) 邻居节点邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。点，称为该节点的邻居节点
8、。(5) 跳数跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。间的跳数。 6.1.1 基本概念和算法基本概念和算法(6) 基础设施基础设施：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。设备，如卫星、基站等。(7) 到达时间到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号的到达时间。时间，称为信号的到达时间。(8) 到达时间差到达时间差(TDOA)：两种不同传播速度的信号从一个：两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的
9、时间之差，称为信号的节点传播到另一个节点所需要的时间之差，称为信号的到达时间差。到达时间差。(9) 接收信号强度指示接收信号强度指示(RSSI)：节点接收到无线信号的强度：节点接收到无线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。大小，称为接收信号的强度指示。(10) 到达角度到达角度(Angle of Arrival, AOA)：节点接收到的信：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。达角度。(11) 视线关系视线关系(Line of Sight, LOS)：如果传感器网络的两：如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，
10、能够实现直接通信，则这两个个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视线关系。节点间存在视线关系。(12) 非视线关系非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。影响了它们直接的无线通信。6.1.1 基本概念和算法基本概念和算法3.计算节点位置的基本方法计算节点位置的基本方法 （1）三边（多变）计算法：已知平面上（空间）三边（多变）计算法：已知平面上（空间上）三（多）点的位置上）三（多）点的位置A,B,C，以及，以及D点到点到A,B,C的距离的距离, 利用几何方法可求得利用几何方法可求得D点的坐标。点的坐标。6
11、.1.1 基本概念和算法基本概念和算法（2）三角（多角）计算法：已知平面（空）三角（多角）计算法：已知平面（空间）三（多）点的位置间）三（多）点的位置A,B,C,以及以及D点为点为角顶点，角边的端点为角顶点，角边的端点为A,B,C的角度，可的角度，可求出求出D点的坐标。点的坐标。6.1.1 基本概念和算法基本概念和算法（3）极大似然估计法：已知很多节点）极大似然估计法：已知很多节点D的的相邻节点坐标以及他们到节点相邻节点坐标以及他们到节点D的距离或的距离或方位，使用最小均方差估计方法得到节点方位，使用最小均方差估计方法得到节点D的坐标。的坐标。6.1.2 定位算法分类定位算法分类 (1)根据定
12、位过程中实际测量节点间的距离根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否和角度与否通过测量节点间点到点的距离或角度等信息进行位置估计；无须距离和角度信息，仅根据网络连通性等信息即可实现。无须测距技术的定位基于测距的定位6.1.2 定位算法分类定位算法分类（2）根据各节点定位的先后次序）根据各节点定位的先后次序从信标节点开始，首先它的邻居节点开始定位，然后逐渐向外围进行延伸，即各个节点依次实现定位。 定位一旦开始，所有的节点同时进行位置坐标的计算，即定位。不存在先后次序。递增式的定位算法并发式的定位算法6.1.2 定位算法分类定位算法分类（3）定位过程是否使用信标）定位过程是否使用信标以信标节点
13、为参考，各节点定位后产生整体绝对坐标系统。 只关心节点间的相对位置，在定位过程中无需信标节点，各节点以自身作参考，将邻近的节点纳入自己定义的坐标系中，左后相邻的坐标系统依次转换合并，产生整体相对坐标系统。基于信标节点无信标节点6.1.2 定位算法分类定位算法分类（4）根据在定位过程中是否把信息传送到）根据在定位过程中是否把信息传送到某个后台中心或服务器进行节点坐标的计某个后台中心或服务器进行节点坐标的计算算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指依赖节点间的信息交换和协调，由节点自行计算的定位方式。集中式计算分布式计算6.2 基于距离的定位基于距离的定
14、位 基于测距的定位技术是通过测量节点基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可以确点的位置。解析几何里有多种方法可以确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定位。定位和角度定位。6.2 基于距离的定位基于距离的定位具体过程分为三个阶段：具体过程分为三个阶段： 第一个阶段是测距阶段第一个阶段是测距阶段 第二个阶段是定位阶段第二个阶段是定位阶段 第三个阶段是修正阶段第三个阶段是修正阶段6.2.1 基于基于TOA的定位的定位 TOA机制是已知信号的传播速度，根据信
15、机制是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。号的传播时间来计算节点间的距离。TOATOA测距原理的过程示例测距原理的过程示例6.2.1 基于基于TOA的定位的定位 假设两个节点时间同步假设两个节点时间同步, 发送节点发送节点A在发送在发送信号的同时发送一个同步消息告知接收节信号的同时发送一个同步消息告知接收节点信号发送时间为点信号发送时间为t0 ,节点接收信号的节点接收信号的同时接收同步消息并记录接收信号的时间同时接收同步消息并记录接收信号的时间t1,则两节点间的距离则两节点间的距离 c(t1- t0), c为信为信号在介质中的传播速度号在介质中的传播速度.6.2.1 基于
16、基于TOA的定位的定位使用使用T O A 技术检测标签在二维平面的位置，则至少需要技术检测标签在二维平面的位置，则至少需要3个基个基 站。站。标签发射测量信号到达标签发射测量信号到达 3个个 以上的基站，且必须保证时以上的基站，且必须保证时 间的同步。间的同步。由于电磁波的传播速率很由于电磁波的传播速率很 高，高， 微小的误差将会在算微小的误差将会在算 法中放大，使定位精度大法中放大，使定位精度大 大降低。传播中的多径干扰、非视距以及噪声等干大降低。传播中的多径干扰、非视距以及噪声等干 扰造成的误差会扰造成的误差会使各圆无法交汇，或者交汇处不是一个点而是一使各圆无法交汇，或者交汇处不是一个点而
17、是一 个区域。因此，个区域。因此，T O A对系统同步的要求很高，并且需要在信号中加时间戳，而实际对系统同步的要求很高，并且需要在信号中加时间戳，而实际参加定位的基站一般在参加定位的基站一般在 3个以上，误差是不可个以上，误差是不可 避免的。单纯的避免的。单纯的T O A 算法在实际中的应用很少。算法在实际中的应用很少。6.2.2 基于基于TDOA的定位的定位在基于在基于TDoA的定位机制中，发射节点同时发射两种不的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算两个节点的时间差
18、以及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离。之间的距离。发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节点记录下这两种信号的到达时间节点记录下这两种信号的到达时间T1、T2，已知无线已知无线射频信号和超声波的传播速度为射频信号和超声波的传播速度为c1、c2, 那么两点之那么两点之间的距离为间的距离为(T2-T1)*S，其中，其中S=c1*c2/(c1-c2)。6.2.2 基于基于TDOA的定位的定位6.2.3 基于基于AOA的定位的定位 该方法通过配备特殊天线来估测其它节点发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。射的无
19、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规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。作用。6.2.3 基于基于AOA的定位的定位通过阵列天线或多个接收器得到信号到达通过阵列天线或多个接收器得到信号到达的方向。的方向。B1，B2为信标节点。为信标节点。A接收接收B1，B2发送发送的信号，以自己的参考轴为准，记录两个的信号，以自己的参考轴为准，记录两个信号来源的角度，从而能实现自身定位。信号来源的角度，从而能实现自身定位。6
20、.2.3 基于基于AOA的定位的定位第一步：相邻节点之间方位角的测定第一步：相邻节点之间方位角的测定节点A的两个接收机R1、R2间距离是L，接收机连线中点的位置代表节点A位置；将两个接收机连线的中垂线作为节点A的轴线，作为确定邻居节点方位角度基准线 ；6.2.3 基于基于AOA的定位的定位第二步：相对信标节点的方位角测量第二步：相对信标节点的方位角测量目标：计算与信标节点不相邻的未知节点与各信标节点之间的方位；L节点是信标节点，A、B、C节点互为邻居节点；ABC、LBC的内部角度已经计算，从而能够计算出四边形ACLB的角度信息，进而计算出信标节点L相对于节点A的方位 ；6.2.3 基于基于AO
21、A的定位的定位第三步：利用方位信息计算节点的位置第三步：利用方位信息计算节点的位置从n个信标节点中任选三个信标节点A、B、C ；利用三角测量算法或极大似然估计算法计算节点D坐标 。6.2.4 基于基于RSSI的定位的定位已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的耗，使用理论或经验的信号传播模型信号传播模型将传播损耗转化为将传播损耗转化为距离。距离。该技术主要使用该技术主要使用RF信号。因传感器节点本身具有无线通信号。因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术。信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技
22、术。主要误差来源：无线信号的反射、多径传播、非视距，主要误差来源：无线信号的反射、多径传播、非视距，天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。所以常将耗。所以常将RSSI看作一种粗糙的测距技术，有可能产看作一种粗糙的测距技术，有可能产生生+/-50%的测距误差。的测距误差。6.2.4 基于基于RSSI的定位的定位基本思想：通过信号在传播中的衰减来估计基本思想：通过信号在传播中的衰减来估计 节点之间的距离；节点之间的距离；根据信道模型求解距离：根据信道模型求解距离：测距方法小结测距方法小结 各种测距方法都有自身的优缺点，单独使用都达不到很
23、各种测距方法都有自身的优缺点，单独使用都达不到很好的性能要求，结合不同方法会使性能提高，现实应用好的性能要求，结合不同方法会使性能提高，现实应用中比较经典的结合方法是中比较经典的结合方法是TDOA和和AOA方法的结合。方法的结合。6.3 距离无关的定位算法距离无关的定位算法 距离定位能距离定位能够实现精确定位，硬件要精确定位，硬件要求高。求高。 距离无关定位无需距离无关定位无需测量量节点点间的的绝对距离或方位，降低了硬件要求，但定位距离或方位，降低了硬件要求，但定位误差也增加了。差也增加了。6.3 距离无关的定位算法距离无关的定位算法两两类距离无关的定位方法：距离无关的定位方法：一一类对未知未
24、知节点和信点和信标节点之点之间的距离的距离进行估行估计，三，三边或极大似然估或极大似然估计法法进行定位。行定位。另一另一类通通过邻居居节点和信点和信标节点确定未知点确定未知节点的区域，然后把点的区域，然后把质心作心作为未知未知节点的点的坐坐标。6.3 距离无关的定位算法距离无关的定位算法质心定位算法心定位算法 DV-Hop算法算法 Amorphous算法算法 APIT算法算法6.3.1 质质心算法心算法多多边形的几何中心，称形的几何中心，称为质心，多心，多边形形顶点坐点坐标的平均的平均值就是就是质心心节点的坐点的坐标。质心定位算法首先确定包含未知心定位算法首先确定包含未知节点的区域，点的区域，
25、计算算这个区域的个区域的质心，并将其作心，并将其作为未知未知节点的点的位置。位置。6.3.1 质质心算法心算法基本基本过程：程：信信标节点周期性向点周期性向邻近近节点广播信点广播信标分分组，信信标分分组中包含信中包含信标节点的点的标识号和位置信号和位置信息；息；当未知当未知节点接收到来自不同信点接收到来自不同信标节点的信点的信标分分组数量超数量超过某一个某一个门限限k或接收一定或接收一定时间后，后，就确定自身位置就确定自身位置为这些信些信标节点所点所组成的多成的多边形的形的质心。心。6.3.2 DV-Hop算法算法基本思想：基本思想：首先：首先：计算未知算未知节点与每个信点与每个信标节点的最小
26、点的最小跳数；跳数；然后：估算平均每跳的距离，利用最小跳数然后：估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知乘以平均每跳距离，得到未知节点与信点与信标节点之点之间的估的估计距离；距离；最后：利用三最后：利用三边测量法或极大似然估量法或极大似然估计法法计算未知算未知节点的坐点的坐标。6.3.2 DV-Hop算法算法1.计算未知算未知节点与每个信点与每个信标节点的最小跳数点的最小跳数信信标节点向点向邻居居节点广播自身位置信息的分点广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化，其中包括跳数字段，初始化为0；接收接收节点点记录具有到每个信具有到每个信标节点的最小跳点的最小跳数，忽略来
27、自同一个信数，忽略来自同一个信标节点的点的较大跳数的大跳数的分分组。然后将跳数。然后将跳数值加加1，并，并转发给邻居居节点；点；网网络中所有中所有节点能点能够记录下到每个信下到每个信标节点点最小跳数最小跳数6.3.2 DV-Hop算法算法2.计算未知算未知节点与信点与信标节点的点的实际跳段距离跳段距离每个信每个信标节点根据点根据记录的其它信的其它信标节点的位置信息和点的位置信息和相距跳数，估算平均每跳的相距跳数，估算平均每跳的实际距离距离 ；然后，信然后，信标节点将点将计算的每跳平均距离用算的每跳平均距离用带有生存期有生存期字段的分字段的分组广播至网广播至网络中，未知中，未知节点点仅记录接收到
28、的接收到的第一个每跳平均距离，并第一个每跳平均距离，并转发给邻居居节点点 ；未知未知节点接收到平均每跳距离后，根据点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，的跳数，计算到每个信算到每个信标节点的跳段距离；点的跳段距离；6.3.2 DV-Hop算法算法3.利用三利用三边测量法或极大似然估量法或极大似然估计法法计算自算自身位置身位置未知未知节点利用第二点利用第二阶段中段中记录的到各个信的到各个信标节点的跳段距离，利用三点的跳段距离，利用三边测量法或极大似量法或极大似然估然估计法法计算自身坐算自身坐标6.3.2 DV-Hop算法算法例子例子信信标节点点L2计算的每跳平均距离算的每跳平均距离为(40+7
29、5)/(2+5) A从从L2获得每跳平均距离，得每跳平均距离，则节点点A与三个信与三个信标节点点之之间的距离分的距离分别为L1：316.42，L2：216.42，L3：316.42；L3AL1L26.3.3 Amorphous算法算法在不定形在不定形计算机（算机（Amorphous Computer）上）上实现的的定位算法。定位算法。 不定形不定形计算机是一种并行算机是一种并行计算算结构，和智能群（构，和智能群（蚁群、群、鸟群、粒子群等）很相似。群、粒子群等）很相似。本本质上，不定形算法是上，不定形算法是DV-Hop算法的增算法的增强，引入了多，引入了多参考点参考点测量量进行估行估计求精的步求
30、精的步骤。两个重要的参数修正：两个重要的参数修正：不定形算法通不定形算法通过平滑（平滑（smoothing）修正）修正节点到参考点到参考节点的梯点的梯度跳数。度跳数。采用通信半径作采用通信半径作为每跳距离，使得每跳距离，使得节点到参考点到参考节点的最点的最终估估计距离偏大。不定形算法采用下面的公式来修正每跳距离：距离偏大。不定形算法采用下面的公式来修正每跳距离：6.3.4 APIT算法算法近似三角形内点近似三角形内点测试法（法（APIT, Approximate Point-In-Triangulation test）找到若干个由参考）找到若干个由参考节点构成的三角点构成的三角形，形，则节点必
31、然在点必然在这些三角形的交集内。使用些三角形的交集内。使用这个交集个交集的重心估的重心估计节点的位置。点的位置。 APIT算法分四步：（算法分四步：（1）信）信标交交换，（，（2）三角形内点）三角形内点测试（PIT, Point-In-Triangulation testing），（），（3） 交交集运算集运算计算三角形的重合区域，（算三角形的重合区域，（4）重心（）重心（COG, Center of Gravity）计算求算求节点的位置。点的位置。6.3.4 APIT算法算法基本基本过程程未知未知节点首先收集其点首先收集其邻近信近信标节点的位置信点的位置信息；息；从从这些信些信标节点点组成的
32、集合中任意成的集合中任意选取三个取三个节点，假点，假设集合中有集合中有n个元素，那么共有个元素，那么共有Cn3种不同种不同选取方法，确定取方法，确定Cn3个不同三角形，个不同三角形，逐一逐一测试未知未知节点是否位于每个三角形内部，点是否位于每个三角形内部，直到直到穷尽所有尽所有Cn3种种组合或达到定位所需精合或达到定位所需精度；度；计算包含目算包含目标节点所有三角形的重叠区域，点所有三角形的重叠区域，并求并求质心；心；6.3.4 APIT算法算法PIT：最佳三角形内点：最佳三角形内点测试法法PIT原理原理假如存在一个方向，假如存在一个方向，节点点M沿着沿着这个方向移个方向移动会同会同时远离或接
33、近离或接近顶点点A、B、C，那么，那么节点点M位于位于ABC外；否外；否则，节点点M位于位于ABC内。内。6.3.4 APIT算法算法收集信息收集信息未知未知节点收集点收集邻近信近信标节点的信息，如位置、点的信息，如位置、标识号、号、接收到的信号接收到的信号强度等；度等；邻居居节点之点之间交交换各自接收到各自接收到的信的信标节点的信息点的信息 ；APIT 测试测试未知未知节点是否在不同信点是否在不同信标节点点组合成三角形内部合成三角形内部 ；计算重叠区域算重叠区域统计包含未知包含未知节点三角形，点三角形，计算所有三角形的重叠区算所有三角形的重叠区域；域；计算未知算未知节点位置点位置计算重叠区域的算重叠区域的质心位置，作心位置，作为未知未知节点的位置点的位置
