無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究方案和實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)
2025-06-06 12:07 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 距離減去錨節(jié)點(diǎn)3到未知節(jié)點(diǎn)的距離。假設(shè)圖中錨節(jié)點(diǎn)3的坐標(biāo)表示為A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(x3，y3)，未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)p表示為(x，y)。無線信號從未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)之間的時間分別表示為t1，t2和t3則可以分別計算出r12和r23： （23） 將坐標(biāo) A、B、C、P 坐標(biāo)帶入到（23）中，得到基于TDOA的定位算法中雙曲線的表達(dá)式（24）：（24）然后利用數(shù)學(xué)計算方式進(jìn)一步求解，最終求的未知節(jié)點(diǎn) p 的坐標(biāo)。 基于AOA的定位算法是利用未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的角度關(guān)系來進(jìn)行定位的一種算法。這種算法依靠天線陣列或者超聲波接收陣來測量錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的角度，因此需要傳感器節(jié)點(diǎn)能夠測量角度的硬件設(shè)施，相對于實(shí)施成本而言比較高。： 圖 基于AOA的定位算法示意圖，A，B表示兩個已知的錨節(jié)點(diǎn)，C表示未知節(jié)點(diǎn)。未知節(jié)點(diǎn)C與錨節(jié)點(diǎn) A、B之間的形成兩個夾角。根據(jù)AB直線和其測量出的夾角就可以畫出C點(diǎn)的具體位置，然后就可以計算未知節(jié)點(diǎn)C點(diǎn)的坐標(biāo)?；贏OA的定位算法最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需要知道兩個錨節(jié)點(diǎn)就可以計算未知節(jié)點(diǎn)的位置。不過由于需要測量錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的角度，所以需要多個接收器輔助完成定位。所以對于硬件的消耗也比較高。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]。RIPS 通過兩個發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)射頻率相近的射頻在待定位節(jié)點(diǎn)處得到疊加信號。Maroti 等證明當(dāng)兩個射頻的頻率相近，它們的疊加信號的包絡(luò)的頻率可以被低成本的傳感節(jié)點(diǎn)所測量到。由此可以進(jìn)一步得到兩個接收傳感節(jié)點(diǎn)的相對相位偏移為： （25）圖 無線射頻干涉測量從式25來看，兩個接收節(jié)點(diǎn)的相對相位偏移只與發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離以及射頻波長有關(guān)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過發(fā)射不同波長的射頻，可以得到多個如式25的方程。求解它們的聯(lián)立方程，便可以得到待定位傳感節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的相對位置。利用 RIP 方法的優(yōu)點(diǎn)在于其不受多徑反射的影響而且并不增加普通傳感節(jié)點(diǎn)的成本。但使用該方法對錨節(jié)點(diǎn)之間的同步要求很高。在非測距算法中，不需要測量節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的位置信息。非測距算法是降低整個網(wǎng)絡(luò)的整體消耗，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能。常用的非測距算法包括質(zhì)心定位算法DVHop（distance vectorhop）算法、凸規(guī)劃定位算法及 APIT （approximate pointintriangulation test）定位算法等。 在質(zhì)心算法中，第一，發(fā)送廣播信號。在發(fā)送廣播信號之前，需要設(shè)置錨節(jié)點(diǎn)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。第二，接收廣播信號。未知節(jié)點(diǎn)每接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信息就自動存儲，并將計數(shù)器加1。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)的超過一定的時間閾值，就認(rèn)為接收到所有的廣播數(shù)據(jù)都已經(jīng)收到。第三，質(zhì)心定位。未知節(jié)點(diǎn)利用收到的全部節(jié)點(diǎn)信息組成N邊形，并將未知節(jié)點(diǎn)的位置認(rèn)為是N邊形的質(zhì)心，然后對取得的全部錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)取平均值，從而得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。 （26）其中(Xi，Yi)表示未知節(jié)點(diǎn)，(X1，Y1)(XN，YN)表示(Xi，Yi)受到的錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。： 圖 質(zhì)心定位算法的原理示意圖 ，質(zhì)心算法的關(guān)鍵在于未知節(jié)點(diǎn)能否接受到全部錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號，對于整個網(wǎng)絡(luò)的依賴性特別強(qiáng)。算法不需要具體錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)之間的頻繁通信，算法流程相對簡單，是非測距算法中易于實(shí)現(xiàn)的算法。但同時，該算法以錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射的廣播信號按照理想的無線信號模型進(jìn)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(shí)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(jìn)行傳播。從幾何角度來講，錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多，對于算法的精度越高，這樣就增加整個無線網(wǎng)絡(luò)的成本，而且維護(hù)費(fèi)用也相對增加[4]。 DVHop定位算法 DVHop 定位算法的原理是錨節(jié)點(diǎn)向所有的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信號，未知節(jié)點(diǎn)收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播信號后存儲并轉(zhuǎn)發(fā)，最后目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)都接收該廣播信號。目標(biāo)檢測區(qū)域的相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信表示為1跳，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到廣播信號時，先計算錨節(jié)點(diǎn)傳播的最小跳數(shù)，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性，計算平均每一跳的距離。將最小跳數(shù)乘以平均跳距，得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的相對距離。最后通過極大似然法或者三邊測量法來計算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息[4]。： 圖 DVHop 原理示意圖，節(jié)點(diǎn)LL2和L3是已知的錨節(jié)點(diǎn)，并且它們之間的距離和跳數(shù)也是已知的。根據(jù)已知信息首先計算出平均節(jié)點(diǎn)的跳距為（35+63）/(2+5)=14M。假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)為P，L2的廣播信號首先傳遞到P處，未知節(jié)點(diǎn)P首先從L2處獲取最短跳數(shù)，然后在以此從LL3處獲取最短跳數(shù)，從而計算未知節(jié)點(diǎn)與三個錨節(jié)點(diǎn)之間的距離： P 與L1之間的距離：d1=2*14=28 P 與L2之間的距離：d2=2*14=28 P 與L3之間的距離：d2=4*14=56 假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，Y)，L1 坐標(biāo)為(X1，Y1)，L2 坐標(biāo)為(X2，Y2)，L3 坐標(biāo)為(X3，Y3)，那么未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息計算公式如下所示： (27） 凸集規(guī)劃定位算法首先需要完成整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)互通性，使得各個傳感器節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成幾何約束關(guān)系，從而使得傳感器網(wǎng)絡(luò)形成一個凸集的幾何圖形。這樣就將傳感器定位轉(zhuǎn)換為幾何關(guān)系的最優(yōu)解的問題。凸集約束優(yōu)化的方式是將線性優(yōu)化方式和線性規(guī)劃優(yōu)化方式相結(jié)合，通過這樣的結(jié)合得到一個全局的優(yōu)化方案，從而實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位[4]。：圖 凸規(guī)劃定位算法原理示意圖，算法首先要根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)之間的位置以及錨節(jié)點(diǎn)的與未知節(jié)點(diǎn)P之間相互通信的范圍來計算位置節(jié)點(diǎn)存在的某個區(qū)域。如果能夠準(zhǔn)確的計算出這個區(qū)域，可以將這個區(qū)域轉(zhuǎn)換為矩形圖形D，然后計算該矩形區(qū)域D的質(zhì)心坐標(biāo)并將其轉(zhuǎn)換為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。幾何約束條件越小那么算法的精度就會越高。在算法的使用過程中，為了盡可能的使用約束條件，需要錨節(jié)點(diǎn)盡可能的分布
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