無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究方案和實現(xiàn)-wenkub
2023-05-25 12:07:50 本頁面
【正文】 ，錨節(jié)點發(fā)送的廣播信號傳輸?shù)轿粗?jié)點的過程中，會受到環(huán)境和多路徑的影響，導(dǎo)致信號傳輸過程中產(chǎn)生衰減現(xiàn)象，未知節(jié)點收到的錨節(jié)點發(fā)送的信號強度會受到一定的影響。但在實際應(yīng)用中，由于反射、多徑傳播、NLOS和天線增益等問題都會產(chǎn)生顯著的傳播損耗和較大的誤差，因此RSSI技術(shù)定位誤差較大[1]。目前常用的測距方式有接收信號強度、紅外線、超聲波以及GPS，這四種測距方式的性格比較如表21所示：表21 常用測距方式的比較測試方式RSSI紅外線超聲波GPS額外硬件無有有有硬件成本低低高高測距誤差0~3m0~5m0~10cm0~10m由表21可以得知，除RSSI外的其他三種測距方法，都需要節(jié)點安裝相應(yīng)固件，提高了本身的體積和價格；GPS技術(shù)有其局限性，更適用于戶外定位，小范圍的定位并不可靠；紅外線技術(shù)的測距精度比較低，而超聲波的測距成本較高；基于RSSI的測距技術(shù)則被廣泛應(yīng)用，并且市場是大多數(shù)節(jié)點本身就可以完成對RSSI的獲取，易于實現(xiàn)，因此基于RSSI的測距技術(shù)是WSN中最常用的技術(shù)。質(zhì)心算法的原理是通過獲取網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的連通關(guān)系來佔算連通節(jié)點問的距離，從而進一步利用連通節(jié)點組成的兒何圖形質(zhì)心來估算H標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)?；跍y距的定位算法比較精確，但需要節(jié)點本身通信頻率較高，從而節(jié)點能耗幵銷較大。一般來說，基于測距的定位算法利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法來計算節(jié)點的位置，常用的測距技術(shù)有RSSI，TOA，TDOA和AOA。因此必須開展適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的定位技術(shù)研究。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各研究分支中，定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的支撐技術(shù)之一。無線傳感器節(jié)點通常隨機布放在不同的環(huán)境中執(zhí)行各種監(jiān)測和跟蹤任務(wù)，以自組織的方式相互協(xié)調(diào)工作，最常見的例子是用飛機將傳感器節(jié)點布放在指定的區(qū)域中，隨機布防的傳感器節(jié)點無法事先知道自己位置，傳感器節(jié)點必須能夠?qū)崟r地進行定位。目前已有較為成熟的無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)可以被分為需要測距的定位技術(shù)和與測距無關(guān)的定位技術(shù)。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) 無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)摘要當(dāng)代移動通信和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步，使得我們在平時的生活中更加依賴于自動化或半自動化的設(shè)備。本文首先分別介紹了基于測距的定位技術(shù)和無需測距定位算法的基本原理，并在此基礎(chǔ)上研究了常用二維和三維無線傳感網(wǎng)定位算法。因此位置信息對傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動至關(guān)重要，事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置是傳感器節(jié)點監(jiān)測消息中所包含的重要信息，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，在不知道具體位置信息的監(jiān)測消息往往是毫不意義的。首先，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用中，節(jié)點的感知數(shù)據(jù)必須與位置相結(jié)合，離開位置信息，感知數(shù)據(jù)是沒有意義的，如環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、森林火災(zāi)監(jiān)控等，沒有地理位置信息就無法確定事件發(fā)生何處，也不能夠采取有效及時的處理措施?；谏鲜鲈?，定位技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論研究和應(yīng)用中具有重要的意義，已經(jīng)成為了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的一個研究熱點。RSSI定位技術(shù)具有功耗低和硬件成本低的優(yōu)勢，但也存在多路徑損耗等問題影響從而存在一定的誤差。無需測距的定位算法則無需通信頻率較快，提高了定位能耗，但是卻犧牲了一定的定位精度。DVHop算法能夠通過多跳傳輸獲取到目標(biāo)節(jié)點無線覆蓋范圍之外的信標(biāo)節(jié)點的數(shù)據(jù)，從而獲取到更多的有用信息。 RSSI定位算法RSSI定位算法是已知節(jié)點發(fā)射信號強度，接收節(jié)點測量接收到的該信號的強度，并計算傳播過程中的損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播衰減模型將傳播損耗轉(zhuǎn)換為距離，再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置?；?RSSI 的定位算法利用信號傳輸過程中的衰減模型來計算錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離，然后利用所測量的距離來實現(xiàn)未知節(jié)點的定位。這種信號衰減會存在一定的規(guī)律性，通過測量未知節(jié)點接收的信號強度能夠估算錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離。在環(huán)境因子和遮蔽因子已知的前提下，通過對未知節(jié)點接收功率的測量及其兩點之間的距離計算，其RSSI ：圖 RSSI 信號傳輸模型示意圖 由于不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的應(yīng)用環(huán)境的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境因子和干擾因子也不盡相同。首先錨節(jié)點將發(fā)送時間設(shè)置在廣播信號中，并發(fā)送廣播信號，未知節(jié)點接收到錨節(jié)點發(fā)送的廣播信號并確定信號到達的時間，最終通過發(fā)送時間和接收時間來計算信號傳播的時間，然后在利用信號傳播速度來計算未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離，最后利用三邊測量法來實現(xiàn)計算出未知節(jié)點的坐標(biāo)。C表示無線信號在介質(zhì)中的傳播速度，C是常數(shù)。在該算法中，錨節(jié)點首先設(shè)置兩種不同頻率的無線信號，然后同時廣播出去。 圖 TDOA 原理圖（一）基于TDOA的定位算法與TOA方法相似，但是該算法有兩種方式進行定位計算，第一種就是采用發(fā)送兩種無線信號，并利用未知節(jié)點的時間差來進行定位，常用的無線信號包括無線電波和超聲波。通過錨節(jié)點a的發(fā)送時間To、未知節(jié)點b接收時間T錨節(jié)點a的發(fā)送時間T2和未知節(jié)點b接收時間 T3 以無線電信號的傳播速度VRF和超聲波的傳播速度VUS就可以計算出錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離。：圖 TDOA 原理圖（二），r12表示錨節(jié)點1到未知節(jié)點的距離減去錨節(jié)點2到未知節(jié)點的距離。 基于AOA的定位算法是利用未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的角度關(guān)系來進行定位的一種算法。根據(jù)AB直線和其測量出的夾角就可以畫出C點的具體位置，然后就可以計算未知節(jié)點C點的坐標(biāo)。無線電干涉測量方法很早就被用于天文學(xué)等相關(guān)研究，但直到 2005 年，Maroti 等第一次提出了射頻干涉定位系統(tǒng) (Radio Interferometric Positioning System，RIPS) 將信號干涉方法應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中來[3]。發(fā)送節(jié)點通過發(fā)射不同波長的射頻，可以得到多個如式25的方程。在非測距算法中，不需要測量節(jié)點之間的距離及角度關(guān)系，根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的連通性來計算或者估計未知節(jié)點的位置信息。在發(fā)送廣播信號之前，需要設(shè)置錨節(jié)點信號的發(fā)射周期，然后將自身的標(biāo)識號與所在的位置信息存入廣播數(shù)據(jù)包中，將數(shù)據(jù)包以設(shè)置的發(fā)射周期發(fā)送出去。第三，質(zhì)心定位。但同時，該算法以錨節(jié)點發(fā)射的廣播信號按照理想的無線信號模型進行傳播，對于目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境干擾因素考慮不夠全面，信號在現(xiàn)實環(huán)境下會在傳播過程中出現(xiàn)反射、折射、干擾等現(xiàn)象，無法按照理想的無線信號傳輸模型進行傳播。將最小跳數(shù)乘以平均跳距，得到未知節(jié)點與錨節(jié)點之間的相對距離。假設(shè)未知節(jié)點為P，L2的廣播信號首先傳遞到P處，未知節(jié)點P首先從L2處獲取最短跳數(shù)，然后在以此從LL3處獲取最短
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