無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù).doc

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及研究現(xiàn)狀1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科、高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿研究領(lǐng)域，綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音、震動(dòng)和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并以無(wú)線的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)要素。如果說(shuō)Internet構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，其在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、空間探索、智能家居、工業(yè)控制和其他商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。WSN的基木思想起源于20世紀(jì)70年代。1978年，DARPA在卡耐基-梅隆大學(xué)成立了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)工作組;1980年，DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目(DSN)開啟了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的先河;20世紀(jì)80- 90年代，研究主要在軍事領(lǐng)域，成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，拉開了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的序幕;20世紀(jì)90年代中后期，WSN引起了學(xué)術(shù)界、軍界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，發(fā)展了現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的萌芽，最早可以追溯到20世紀(jì)60年代的戰(zhàn)爭(zhēng)中。在20世紀(jì)80年代至90年代之問，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)在歐美得到發(fā)展，美國(guó)更多地將其用于軍事方面。從21世紀(jì)開始至今，逐步進(jìn)入現(xiàn)代意義上的無(wú)線傳感網(wǎng)研究及其應(yīng)用，專利就是從這時(shí)候開始逐年增加。雖然2008年的金融危機(jī)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)影響最大，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)卻是異軍突起，進(jìn)入快速發(fā)展階段。來(lái)自美國(guó)的一份調(diào)研報(bào)告顯示，2011年，世界市場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與服務(wù)市場(chǎng)價(jià)值46億美元，同比增長(zhǎng)近15%。目前，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。具體來(lái)看，最早揭開現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展序幕的美國(guó)在通信協(xié)議、硬件設(shè)施和芯片技術(shù)等核心技術(shù)方面較為領(lǐng)先，日本和韓國(guó)則在應(yīng)用方面走在前列。美國(guó)軍方最先開始無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，包括CEC 、REM BASS、 TRSS、Sensor IT、WINS、Smart Dust、Sea Web等研究項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景計(jì)劃研究局已投資幾千萬(wàn)美元，幫助大學(xué)進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。美國(guó)國(guó)家自然基金委員會(huì)(N SF)也開設(shè)了大量與其相關(guān)的項(xiàng)目。NSF于2003年制定了W SN研究計(jì)劃，每年撥款3 400萬(wàn)美元支持相關(guān)研究項(xiàng)目，并在加州大學(xué)洛杉磯分校成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中心。2005年對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和系統(tǒng)的研究計(jì)劃中，主要研究下一代高可靠、安全的可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、可編程的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性，資助金額達(dá)4 000萬(wàn)美元。此外，美國(guó)交通部、能源部、美國(guó)國(guó)家航空航大局也相繼啟動(dòng)了相關(guān)的研究項(xiàng)目。美國(guó)所有著名院校幾乎都有研究小組在從事W SN相關(guān)技術(shù)的研究，加拿大、英國(guó)、德國(guó)、芬蘭、日木和意大利等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也加入了WSN的研究。加州大學(xué)洛杉磯分校、加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、康奈爾大學(xué)、哈佛大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)等在WSN研究領(lǐng)域成績(jī)較為突出。國(guó)際相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議中對(duì)W SN的研討增多，檢索論文數(shù)目逐年以較大幅度增加。美國(guó)的Crossbow, Dust Network, Ember, Freescale等公司也開展了WSN的研究工作。加拿大、英國(guó)、德國(guó)、芬蘭、日木和意大利等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也加入了WSN的研究。歐盟第6個(gè)框架計(jì)劃將“信息社會(huì)技術(shù)”作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一。其中多處涉及對(duì)W SN的研究。啟動(dòng)了EYES等研究計(jì)劃。日本總務(wù)省在2004年3月成立了“泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)，調(diào)查研究會(huì)。韓國(guó)信息通信部制訂了信息技術(shù)839戰(zhàn)略，其中“3是指IT產(chǎn)業(yè)的三大基礎(chǔ)設(shè)施，即寬帶融合網(wǎng)絡(luò)、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)、卜一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。企業(yè)界，歐盟的Philips, Siemens, Ericsson, ZMD,France Telecom,Chipcon等公司;日木的NEC,OKI,Sky-leynetworks、世康、歐姆龍等公司都開展了WSN的研究。國(guó)內(nèi)首次正式啟動(dòng)出現(xiàn)于1999年中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程點(diǎn)領(lǐng)域方向研究的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中，該領(lǐng)域的五大重點(diǎn)項(xiàng)目之一。2001年中國(guó)科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院WSN的相關(guān)工作。國(guó)家自然科學(xué)基金已經(jīng)審批了與WSN相關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)課題和多項(xiàng)課題。2004年，將一項(xiàng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目(而上傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。2005年，將網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入計(jì)劃。2006年將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。國(guó)家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI)示范工程中，也部署了WSN相關(guān)的課題。在一份我國(guó)未來(lái)20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報(bào)告中，信息領(lǐng)域157項(xiàng)技術(shù)課題中有7項(xiàng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。2006年初發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)定義了3個(gè)前沿方向，其中2個(gè)與WSN的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。我國(guó)2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和“十一五”計(jì)劃中，將WSN列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。近年來(lái)，隨著計(jì)算成本的下降以及微處理器體積越來(lái)越小，已經(jīng)有為數(shù)不少的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用，而且應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面，隨著人們對(duì)于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來(lái)的侵入式破壞。英特爾公司曾經(jīng)將32個(gè)小型傳感器連進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州“大鴨島”上的氣候，用來(lái)考察一種海燕巢的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。在醫(yī)療護(hù)理方面，英國(guó)科學(xué)家使用無(wú)線傳感器創(chuàng)建了一個(gè)智能醫(yī)療房問，使用微塵來(lái)測(cè)量居住者的血壓、脈搏、呼吸、睡覺姿勢(shì)以及每天24小時(shí)的活動(dòng)狀況。英特爾公司也推出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭護(hù)理技術(shù)，通過(guò)在鞋、家具以家用電器等家具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、特殊病患者以及殘障人士的日常生活，可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。除了民用領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在西方國(guó)防領(lǐng)域的用途也很廣泛。西方已經(jīng)將無(wú)線傳感器部署到森林、山地、海洋，構(gòu)建遠(yuǎn)程信息化國(guó)防體系;部署在生物燃料時(shí)示器、仿生微型時(shí)示器、無(wú)人偵察機(jī)上的移動(dòng)傳感器可為國(guó)防數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、大縱深、全角度偵察情報(bào);同時(shí)也可應(yīng)用在重要場(chǎng)所的狙擊手、偵察人員、偵控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。據(jù)美國(guó)媒體報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部已投資數(shù)千萬(wàn)美元，與研究機(jī)構(gòu)合作進(jìn)行“智能塵?！眰鞲衅骷夹g(shù)的研發(fā)，預(yù)計(jì)產(chǎn)品年銷售額將達(dá)數(shù)十億美元。在更多的領(lǐng)域，一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過(guò)它來(lái)實(shí)施安全監(jiān)測(cè);在交通領(lǐng)域進(jìn)行車輛監(jiān)控;在工業(yè)白動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甚至控制。英特爾正在對(duì)其生產(chǎn)工廠中的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，該網(wǎng)絡(luò)由40臺(tái)機(jī)器上的210個(gè)傳感器組成，這樣組成的監(jiān)控系統(tǒng)將可以大大改善工廠的運(yùn)作條件，由于能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，可以大幅降低檢查設(shè)備的成本，縮短停機(jī)時(shí)問，提高效率，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)問。1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)定位就是確定位置，定位技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的支撐技術(shù)。很多情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要知道自身的物理位置，如果網(wǎng)絡(luò)不能提供相應(yīng)的位置信息，那么傳感器的許多功能是毫無(wú)意義的。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置是不可取的。并且，由于成本過(guò)高和配置條件的限制，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置GPS接收機(jī)也是不現(xiàn)實(shí)的。因此對(duì)傳感器定位技術(shù)的研究是很有意義且是必不可少的。定位在實(shí)際應(yīng)用中有兩種含義:一是確定自己在系統(tǒng)中的位置;二是確定目標(biāo)在系統(tǒng)中的位置。自組織的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一定方法提供節(jié)點(diǎn)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位。這種自組織網(wǎng)絡(luò)定位可分為節(jié)點(diǎn)自身定位和目標(biāo)定位。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，沒有統(tǒng)一的最優(yōu)的定位算法，只有針對(duì)特定環(huán)境比較適合的定位算法。在特定環(huán)境中，某些算法的某些性能可能會(huì)優(yōu)于其他算法。因此，不同的環(huán)境會(huì)有不同的定位算法。近年來(lái)，隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位需求也越來(lái)越迫切。在蜂窩網(wǎng)中，基于移動(dòng)臺(tái)位置信息的服務(wù)，如車輛和交通管理、公共安全服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、資源管理等，都需要對(duì)移動(dòng)臺(tái)的精確定位。根據(jù)進(jìn)行定位的主體和利用的設(shè)備不同可將對(duì)移動(dòng)臺(tái)的無(wú)線定位分為基于移動(dòng)臺(tái)(終端)的定位、基于網(wǎng)絡(luò)的定位及GPS輔助定位三種類型。對(duì)于不同的無(wú)線定位系統(tǒng)，測(cè)量的參數(shù)固然不同，實(shí)現(xiàn)定位的方法與技術(shù)也各異，但從原理上來(lái)講，無(wú)線定位機(jī)制一般由以下三個(gè)步驟組成：第一步，對(duì)無(wú)線電信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)電參量(振幅、頻率、相位、傳播時(shí)間)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)電波的傳播特性把測(cè)量的電參量轉(zhuǎn)換為距離、距離差或到達(dá)角等，用來(lái)表示位置關(guān)系;第二步，運(yùn)用各種算法或技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間位置估計(jì);第三步，對(duì)估計(jì)值進(jìn)行優(yōu)化。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位也是通過(guò)已知信息解算未知點(diǎn)坐標(biāo)，在理論和實(shí)現(xiàn)方式上與傳統(tǒng)的定位技術(shù)有著一定的相似性，只是離散的分布式協(xié)同網(wǎng)絡(luò)特性賦予了傳感器網(wǎng)絡(luò)定位跟蹤獨(dú)特的技術(shù)內(nèi)涵。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用起著關(guān)鍵的作用。大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的組織成分布式可協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)，被應(yīng)用在人類無(wú)法到達(dá)的但又需連續(xù)監(jiān)控的地方，如敵對(duì)環(huán)境中、偏僻危險(xiǎn)的區(qū)域等，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控和目標(biāo)跟蹤。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)是很據(jù)挑戰(zhàn)性的。由于傳感器節(jié)點(diǎn)在大小、外觀及構(gòu)造費(fèi)用上的限制，用GPS進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位造價(jià)太高，而且GPS的應(yīng)用受衛(wèi)星信號(hào)限制。目前很多研究者提出了定位的方法，都是針對(duì)低成本、高精度、簡(jiǎn)單易行的要求設(shè)計(jì)的，但由于硬件技術(shù)和算法的局限性，定位精度和定位效率很難滿足應(yīng)用要求。傳感器節(jié)點(diǎn)定位采用較多的方法是參考節(jié)點(diǎn)法，即在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置好一定數(shù)量的己知自身位置的節(jié)點(diǎn)作為其它未知節(jié)點(diǎn)的參考。這種方法在較高的參考節(jié)點(diǎn)密度的情況下，能夠獲得較好的位置估算精度。但必須存在大量的參考節(jié)點(diǎn)的要求限制了它的應(yīng)用范圍，并且為計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，其必須接收到至少3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的定位信息，這在通信質(zhì)量不穩(wěn)定的傳感器網(wǎng)絡(luò)中不是時(shí)時(shí)都可滿足的。定位計(jì)算可采用分布式和集中式兩種：(1)集中定位技術(shù)集中定位技術(shù)指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)都將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)中心位置，在這里執(zhí)行計(jì)算來(lái)決定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。Doherty Piste:和Ghaoui提出一種集中定位技術(shù)，使用凸形最優(yōu)化算法估計(jì)位置。由于通信費(fèi)用高和固有的延遲，這種技術(shù)所要求的集中計(jì)算不適合移動(dòng)應(yīng)用環(huán)境，因此我們致力于分布式定位技術(shù)的研究。(2)分布式定位技術(shù)分布式定位技術(shù)不要求集中式計(jì)算，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需依靠與臨近節(jié)點(diǎn)的有限通信就可決定自己的位置。根據(jù)位置估測(cè)機(jī)制的不同，我們又將分布式定位技術(shù)分成兩類：距離相關(guān)(Range- based)定位和距離無(wú)關(guān)(Range- free)定位。Range- based定位機(jī)制根據(jù)點(diǎn)到點(diǎn)的絕對(duì)距離或角度來(lái)估計(jì)位置，所采用的測(cè)距技術(shù)，大都依賴于多種通信源、精確的時(shí)鐘和通信設(shè)備間的角度推導(dǎo)，這些都需要復(fù)雜的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)而言成木太高，消耗電能也太多。為了克服Range- based定位機(jī)制存在的問題，近年來(lái)提出了Range-free定位機(jī)制，其目標(biāo)是在不需要復(fù)雜的定位硬件情況下能夠提供足夠精度的位置估計(jì)。它是利用鄰近信息和連通信息來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。該技術(shù)比較適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。研究者們針對(duì)不同的環(huán)境要求等提出各種各樣的解決方案，在相對(duì)的條件下很多都能達(dá)到較好的效果，但真正的應(yīng)用還很少。因此，該領(lǐng)域還有待更多的人去研究，以設(shè)計(jì)更好的定位算法，使傳感器網(wǎng)絡(luò)定位在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)目前的器件水平，無(wú)線但感器網(wǎng)絡(luò)還需要更低能耗、更高效的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。目前，有關(guān)該領(lǐng)域的研究主要集中在以下方向:(1)低成本、高能效、高精度的距離或角度測(cè)量技術(shù)。(2)為盡量延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的低復(fù)雜度、低開銷、低能耗的節(jié)點(diǎn)定位算法。(3)適用于大規(guī)?；虺笠?guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。另外，已提出的節(jié)點(diǎn)定位算法研究成果大部分是基于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的，對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)研究相對(duì)較少，適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化時(shí)的節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)還有待研究。二、節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)WSN節(jié)點(diǎn)定位問題可表述為:依靠有限的位置已知節(jié)點(diǎn)，確定布設(shè)區(qū)中其它節(jié)點(diǎn)的位置，在傳感器節(jié)點(diǎn)間建立起一定的空間關(guān)系。根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身位置，傳感器節(jié)點(diǎn)可分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(beaoon node)和未知節(jié)點(diǎn)(unknown node)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也可稱為錨節(jié)點(diǎn)(anchor node)或參考節(jié)點(diǎn)(reference node)，它在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中所占的比例很小，可以通過(guò)攜帶GPS定位設(shè)備等手段獲得自身的精確位置，然后做為未知節(jié)點(diǎn)的參考點(diǎn)。除了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)外，其他的傳感器節(jié)點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)，它們通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息來(lái)確定自身位置。根據(jù)定位過(guò)程中是否需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離，將定位系統(tǒng)分為(1)基于距離的定位算法;(2)無(wú)需測(cè)距的定位算法?；诰嚯x的定位算法需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度信息，然后使用三邊測(cè)量、三角測(cè)量或者最大似然估計(jì)定位算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間定位。而無(wú)需測(cè)距定位技術(shù)則不需要距離和角度信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通度、節(jié)點(diǎn)間相對(duì)距離等信息即可實(shí)現(xiàn)。基于距離的定位普遍采用的技術(shù)有RSSI, TOA, TDOA和AOAO在RSSI定位中，需已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)依據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)傳播損耗，并將信號(hào)傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，目前常采用理論和經(jīng)驗(yàn)兩種模型，最后依據(jù)己有的技術(shù)算出節(jié)點(diǎn)位置。這種方法節(jié)省費(fèi)用，不用提前建立數(shù)據(jù)庫(kù)，基站移動(dòng)后也無(wú)需重新計(jì)算參數(shù)，但可能會(huì)有50%誤差。(1)TOA定位機(jī)制需己知信號(hào)傳播速度，通過(guò)信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離，最后采用已有算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置。與RSSI算法相較，該算法定位精度高，但需要節(jié)點(diǎn)間保持準(zhǔn)確的時(shí)間同步，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和功耗要求較高。該技術(shù)不適合松散藕合型定位。在TDOA定位機(jī)制中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送兩種無(wú)線信號(hào)，這兩種發(fā)射信號(hào)傳播速度應(yīng)有所不同，接收節(jié)點(diǎn)依據(jù)這兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差及兩種信號(hào)的傳播速度，通過(guò)己有的基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位置。在WSN中通常使用距離為20到30英尺左右的超聲波，而超聲波傳播距離有限，這樣就需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)密集部署。由于NLOS問題會(huì)影響超聲波信號(hào)的傳播，TDOA技術(shù)會(huì)受到限制，但該技術(shù)的測(cè)距誤差比較小，精度也比較高。在AOA定位機(jī)制中，接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)很多個(gè)超聲波接收機(jī)或者天線陣列，從而感知得到發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，根據(jù)計(jì)算出的接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)間相對(duì)方位或角度，使用三角測(cè)量法獲得節(jié)點(diǎn)的位置。AOA技術(shù)不僅能確定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并且還能提供節(jié)點(diǎn)方位信息。但是該算法容易受外界的影響，并且需要額外的硬件，其硬件尺寸、功耗等因素使得該技術(shù)不太適用大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著對(duì)基于測(cè)距定位技術(shù)的深入研究，雖然通過(guò)采用多次測(cè)量，循環(huán)定位求精等各種方法可以在一定程度上減小定位的測(cè)距誤差，但是增加了大量的計(jì)算和通信開銷。綜上所述可知，雖然在定位精度上基于距離的定位技術(shù)有可取之處，但在低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域，該技術(shù)還是有一定的局限性的。 雖然基于距離的定位技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精確的定位，但通常對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件要求高，考慮到硬件成本、功耗等問題，人們提出了無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)。雖然無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)誤差相較會(huì)有所增加，但因其無(wú)需測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離和方位，對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的要求有所降低，減少了節(jié)點(diǎn)的成本和功耗，且粗粒度的定位對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用己足夠(節(jié)點(diǎn)的定位誤差在傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑40%以內(nèi)，定位誤差對(duì)路由性能中目標(biāo)追蹤的精確度的影響很小)，基于以上原因，無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。DV-Hop , Amorphous ,APIT、質(zhì)心算法、凸規(guī)劃和MDS-MAP等都是典型的無(wú)需測(cè)距定位技術(shù)，其中MDS-MAP也能夠在基于測(cè)距的條件下達(dá)到更加精確的定位。由于位置與距離同單位，即位置為二維或三維的距離組合，又因?yàn)榭臻g邊角信息可相互轉(zhuǎn)換，所以不論用何種方法獲取何種解算數(shù)據(jù)，最終都要轉(zhuǎn)換為邊角信息來(lái)求解空間位置?？臻g位置的解算方法一般有三邊定位法、三角定位法、邊角定位法、極大似然估計(jì)法、質(zhì)心定位法，如圖1所示。圖1 空間位置的解算方法2.1三邊定位法如圖2所示，已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（xa,ya）、（xb,yb）、（xc,yc），以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D（x,y）的距離分別為da, db, dc ,則存在下式關(guān)系：（x-xa）2+（y-ya）2=da（x-xb）2+（y-yb）2=db（x-xc）2+（y-yc）2=dc解之得D點(diǎn)的坐標(biāo)：xy=2xa-xc 2ya-yc2xb-xc 2yb-yc-1xa2-x