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  • 无线传感器网络节点定位技术

    发布时间:2019-03-30 来源:www.boshuolunwen123.com  作者:博硕论文辅导网

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    无线传感器网络节点定位技术
    在无线传感器网络中,确定事件发生的位置和确定传感器节点自身位置是无线传感器网络最基本的功能之一。事件发生的位置或获取事件节点的位置是监测消息中最重要的内容,如森林火灾发生的位置、战场上敌方车辆运动的区域、天然气管道泄露的具体地点等。而确定节点自身位置是确定事件发生位置的前提,只有在传感器节点自身正确定位之后,才能确定事件发生的具体位置。3.1定位技术简介无线传感器网络节点定位就是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。定位信息除用来报告事件发生的地点外,还具有目标跟踪、协助路由、网络管理等用途。3.1.1无线传感器网络定位算法特点在无线传感器网络中,传感器节点能量有限、可靠性差、节点规模大且随机布放、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。无线传感器网络的定位算法通常需要具备以下特点:(l)自组织性:无线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,因此节点定位算法必须具有良好的容错性。(3)能量高效性: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。通信开销是无线传感器网络的主要能量开销。砰)分布式计算特性:每个节点计算自身位置,不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。目前,已发展了许多算法来解决节点自身定位问题.但是,每种算法一般只适合某类应用,没有一个通用的算法。无线传感器网络节点自身定位的困难在于节点能量和资源的不足。20沈阳航空工业学院硕士学位论文3.1.2传感器定位的基本概念在无线传感器网络的定位技术中,根据节点是否已知自身的位置,把传感器节点分为信标节点(beaconnode)和未知节点(u址mo二node)。信标节点在网络节点中所占的比例很小,可以通过携带GPS定位设备等手段获得自身的精确位置。信标节点是未知节点定位的参考点。除了信标节点之外,其他传感器节点就是未知节点,它们通过信标节点的位置信息来确定自身位置。邻居节点指在一个节点的通信半径内,可以直接相互通信的节点。节点的无线射程使用R表示。
    测距误差和定位误差一般以误差值与节点无线射程R的比例表示,例如定位精度为20%表示定位误差相当于节点无线射程的20%,而测距精度为20%则表示测距误差相当于节点无线射程的20%。本文所采用的定位算法是基于Rssl(reeeived51,alstrengthindieator,Rssl)的定位算法。RSsl是指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。3.1.3计算节点位置的基本方法无线传感器网络的节点定位通常分为两个步骤:第一步是确定未知节点到邻近信标节点的距离或相对角度;第二步是使用三边测量法、三角测量法、极大似然估计法来最后计算节点位置。本文是在获取未知节点到邻近信标节点的距离后,用三边测量法和极大似然估计法来计算未知节点位置。三边测量法如图3.1所示,己知A、B、c三个节点的坐标分别为(x。,y,)、(凡,少,)、(x。,y。),以及它们到未知节点D的距离分别为do,吼,dc,假设节点D的坐标为(x,y)。图3.1三边测量法那么,存在下列公式:2l沈阳航空工业学院硕士学位论文(3.1)由公式(3.1)可计算得到节点D的坐标为:[x〕「2(x。一xc)2(夕口一y。)〕一,「对一对+对一少了+心一心1日=巨式一小2试一司’民一藉+牙一资十好一剥(3.2)极大似然估计法(maximumlikelihood。stimati。n)如图3.2所示,已知1,2,3等n个节点的坐标分别为(xl,y:),(xZ,yZ),(x3,y3),…(xn,y。),它们到节点D的距离分别为dl,姚,姚,…峨,假设节点D的坐标为(x,y)。图3.2极大似然估计法那么,存在下列公式:护{(xn一:),+伽,一才•刃(3.3)一x),+伽。一,),一心从第一个方程开始分别减去最后一个方程,得:厂一“.--2(xl一凡”’厂一…“一份知一份卜言一l一x言一2诊n一1一x,)x十y言一l一y言一2妙卜l一y。妙=d;--,一d言(3.4)式(3.4)的线性方程表示方式为AX二b,其中:2(x,一x。)2(x,_,一x。)2(y,一少。)2臼n一,一y,〕rxt一对+y了一对+心一刃1「:l!。l!XI},b=卜},X二}{习比1一x:+少:1一对+心一嵘,JLyJ.esee..esesLresl.一一A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:22沈阳航空工业学院硕士学位论文戈•怀犷Arb(3.5)3.L4定位算法分类根据定位机制,可将现有的无线网络定位算法分为两类121】:range一based和range一free,即基于测距技术的定位算法和无需测距的定位算法。前者通过测量节点间点到点的距离或角度信息,使用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算节点位置;后者则无需距离和角度信息,仅根据网络连通性等信息实现。在基于距离的定位中,测量节点间距离或方位时采用的方法有RSSI,TOA,TDOA和AOA等。RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicat。r):基于接收信号强度指示RSSI的定位算法:已知发射功率,在接收节点测量接收功率,计算传播损耗并转化为距离,从而计算出节点位置。该技术主要使用RF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,RADAR、Spot0N等许多项目中使用了该技术。它的主要误差来源是环境影响所造成的信号传播模型的建模复杂性:反射、多径传播、非视距(Non一Line一of--Sight,NLOS),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。T以(TimeofArrival):该技术通过测量信号传播时间来测量距离。在T以方法中,若电波从锚节点到未知节点的传播时间为t,电波传播速度为c,则锚节点到未知节点的距离为t*c。TOA要求接受信号的锚节点或未知节点知道信号开始传输的时刻,并要求节点有非常精确的时钟,因此对传感器节点的硬件和功耗提出了较高的要求。使用T以技术比较典型的定位系统是GPS,GPS系统需要昂贵高耗能的电子设备来精确同步卫星时钟。
    在无线传感器网络中,节点间的距离较小,采用TOA测距难度较大,同时节点硬件尺寸、价格和功耗的限制也决定了TOA技术对无线传感器网络是不可行的。TDOA(TimeDifferenCeOnArrival):TD以测距技术被广泛应用在无线传感器网络的定位方案中。测距时,在发射节点端同时发射两种不同传播速度的无线信号,利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异在接收端记录两种不同信号(常使用RF和超声波信号)到达时间差异,基于已知信号传播速度,直接把时间转化为距离。该技术的测距精度较Rssl高[23],可达到厘米级,但受限于超声波传播距离有限和NL0s问题对23沈阳航空工业学院硕士学位论文超声波的传播影响。虽然已有发现并减轻NLOS影响的技术,但都需要大量计算和通信开销,不一定适用于低功耗的WSN应用中。AOA(Angle。farrival):测量到达角度是一种估算邻居节点发送信号方向的技术,通过天线阵列或多个接收器结合来得到相邻节点发送信号的方向,计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度,再通过三角测量法计算出节点的位置。AOA定位不仅能够确定节点的坐标,还能提供节点的方位信息。但A以技术易受外界环境影响,如噪声、NLOS问题等都会对测量结果产生不同影响。同时,AOA需要额外硬件,在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点。3.2基于RSsl的定位算法无线电收发器是无线传感器节点已有的资源,不需要添加额外的硬件。在理想条件下,使用RSSI随距离衰减模型可推断节点间距离,但在实际应用中测距误差较大,通常将其看作为一种粗糙的测距技术,可能产生50%的误差[l’]。3.2.1基于RSSI的定位算法原理基于RSsl的定位算法原理为:己知发射节点的发射信号强度,接收节点根据接收到的信号的强度,计算出信号传播损耗,然后将传输损耗转化为距离,再利用三边测量法或极大似然估计法计算出节点的位置。计算传播损耗通常有两种方法:利用经验模型和利用理论模型。(l)利用经验模型实际定位前,在定位区域内选取若干测试点,记录在这些点上各基站收到的信号强度,建立各个点上位置和信号强度关系的离线数据库(x,少,ss:,ss:,553)。实际定位时,根据测得的信号强度(551’,552’,553’)和数据库中记录的信号强度进行比较,信号强度均方差sqrtl(ssl一ss;’r+(ss2一二2’r+(ss3一553’r』最小的那个点的坐标作为节点的坐标。为了提高定位精度,在实际定位时,可以对多次测得的信号强度取平均值。也可以选取均方差最小的几个点,计算这些点的质心作为节点的位置。这种方法有较高的精度,但是要预先建立位置和信号强度关系库,当基站移动时要重新建立数据库。(2)利用理论模型24沈阳航空工业学院硕士学位论文考虑到建筑物的墙壁对信号传播的影响,建立信号衰减和传播距离间的关系式。根据三个基站实际测得的信号强度,利用公式3.3实时计算出节点与三个基站之间的距离,然后利用极大似然估计法计算节点位置。尹位枷脚,•尸‘“。,沁。,一,0•,。g〔戈)一{罗群耀县c(3.6)其中,p位)表示基站接收到用户节点的信号强度;p份。)表示基站接收到在参考点d0发送信号的强度,假设所有节点的发送信号强度相同;n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子,依赖于建筑物的结构和使用的材料;d0表示参考节点和基站间的距离;d表示需要计算的节点和基站间距离;n牙表示节点和基站间墙壁个数;C表示信号穿过墙壁个数的闭值;删F表示信号穿过墙壁的衰减因子,依赖于建筑物的结构和使用的材料。这种方法不如上一种精确,但可以节省费用,不必提前建立数据库,在基站移动后不必重新计算参数。3:2RADAR系统微软的RADAR系统〔’2]是基于IEEEs02.n无线网络技术的一种室内定位系统,用以确定用户节点在楼层内的位置。
     

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