（控制理论与控制工程专业论文）基于信号强度的无线传感器网络定位技术研究.pdf

摘要 作为2 1 世纪最重要技术之一的无线传感器网络技术融合了微机电技术、传感器 技术、无线通信技术、网络技术，已成为一种全新的数据采集和处理技术。然而由 于无线传感器网络应用系统所采集的数据必须与节点自身的位置相捆绑才有意义， 所以传感器节点定位已成为无线传感器网络应用的支撑技术之一。本文将无线传感 器网络定位技术作为研究的主要内容。 首先，本文在综合分析和比较国内外先进研究成果的基础上，介绍了无线传感 器网络定位技术的研究背景及国内外研究现状，综述了无线传感器网络定位技术的 相关理论知识，把基于信号强度的无线传感器网络定位技术作为本文研究的重点。 其次，在分析现有定位算法优缺点的基础上，结合实际应用环境，提出了一种 基于理论一经验值数据库的无线传感器网络定位方案。在环境简单、无障碍区域采 用理论值数据库；在复杂、多障碍区域采用经验值数据库。详细描述了整个定位方 案的流程。 最后，设计了一个低功耗、高性价比的无线传感器网络定位系统，并把提出的 定位方案运用在实际的应用系统中，得出了实验结论，并指出下一步应做的主要工 作。 本文提出的定位方案有效降低了射频信号多经、非视距等因素的影响，提高了 定位精度，在实际应用中取得了良好的定位效果。 关键词：信号强度；无线传感器网络；定位技术；理论一经验值数据库 a b s t r a c t b e i n go n eo f2 1 醴c e n t u r y sm o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s ，w s n ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) t e c h n o l o g yc o m b i n e sm e m s ( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ) ，s e n s o r t e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , e t c i th a sb e c o m ea b r a n d - n e wd a t ag a t h e ra n dp r o c e s st e c h n o l o g y h o w e v e ro n l yb yk n o w i n gt h el o c a t i o n c a nw s nt e c h n o l o g ym a k ea n ys e n s e t h e r e f o r ew s nl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a s b e c o m eo n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e so ft h ew s n t h u st h i sp a p e rm a d ew s nl o c a l i z a t i o n t e c h n o l o g ya st h em a i n c o n t e n to fi t f i r s t l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n ds t a t u sq u oo fw s nl o c a l i z a t i o na n d d i s c u s s e da b o u tt h et h e o r yc o n c e r n i n gw s nl o c a l i z a t i o no nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gt h ea d v a n c e df r u i tw o r l d w i d e t h es i g n a ls t r e n g t h b a s e dl o c a l i z a t i o n t e c h n o l o g yi sm a d ea st h em a i np o i n to f t h i sp a p e r s e c o n d l y , al o c a l i z a t i o nm e t h o db a s e do nt h e o r y - e x p e r i m e n t a t i o nd a t a b a s ew a s b r o u g h tf o r w a r do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m si ne x i s t e n c e t h et h e o r yd a t a b a s ew a se m p l o y e di nt h ec a s eo f o b s t a c l ea r e aw h i l et h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t a b a s ew a su s e di nt h ec a s eo fo b s t a c l e l e s s a r e a a tl a s t ，al o w - p o w e r e d ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o w p r i c e dw s nl o c a l i z a t i o ns y s t e mw a s d e s i g n e d t h el o c a l i z a t i o nm e t h o d sm e n t i o n e da b o v ew a sa p p l i e di nt h es y s t e mt og e tt h e l o c a t i o nr e s u l t s a n dt h ef u r t h e rt a s kw a sg i v e na sw e l l t h el o c a l i z a t i o nm e t h o dg i v e nb yt h i s p a p e rd e p r e s s e dt h ei n f l u e n c e o ft h e m u l t i - p a t h , n o nl i n eo fs i g h t ，e t ct oi m p r o v et h el o c a l i z a t i o na c c u r a c y t h el o c a l i z a t i o n s y s t e mr a ni nag o o dc o n d i t i o ni nt h er e a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s i g n a ls t r e n g t h ；w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ；l o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ； t h e o r y - e x p e r i m e n t a t i o nd a t a b a s e 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：住廖琴乳 日期：了年多月8 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密回。 ( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：彳主日誊粜 日期：妒f 年z 月，日 导师签名： 盈碾寺 日期：劢驴罗年石月扩日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 7 引言 1研究背景 引言 无线定位技术是一门利用红外线、超声波、射频信号等无线传播媒介实现物体 定位的技术。它具有易布置、性价比高等优点，目前已被广泛应用于环境监测、目 标跟踪、医疗服务、智能交通等众多领域，成为基于位置信息应用系统的关键技术 之一。 无线定位技术常采用的传输媒介包括：红外线、超声波、射频信号等。 ( 1 ) 红外线：0 li v e 研究实验室开发的a c ti v eb a d g e 系统采用红外线技术实 现室内定位。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使该系统的室内定位效果较 酱l l 儿2 l z l o ( 2 ) 超声波：a c t i v eb a t d l 和c r i c k e tl o c a t i o ns u p p o r ts y s t e m h l 是采用超 声波定位的两个典型例子，它们采用超声波时延信号进行定位。其整体定位精度较 高，但由于超声波对物体分辨性不强，且需要大量的底层硬件设施投资。这些因素 限制了其应用。 ( 3 ) 射频信号：采用该技术的典型应用系统是s p o t o n 系统。该系统基于信号 强度分析，发展了一种聚合算法对三维空间进行定位。s p o t o n 系统中硬件标签呈网 络状分布，无需中央控制单元，通过标签检测到的信号强弱来表征标签之间的几何 距离。 相比之下，射频信号传输范围大，成本低，更适合于广域、多定位目标的定位 技术中。采用射频信号的无线定位技术已经受到人们越来越广泛的关注，在越来越 多的定位系统得到应用。 位置是事件发生的基础信息。自古以来，定位技术就是人们研究的热点。为此， 人们也研究出许多不同的定位技术和设备。其中，发展比较成熟的定位技术要数 g p s ，然而在高密度网络中，给每一个移动用户增加g p s 功能过于昂贵、不切实际， 且定位的精度只可以指示目标所在的房间。除此以外，其他定位技术，如u w b 、 b l u e t o o t h 等等，复杂度较高、价格昂贵，其有效性和实用性都不能令人满意。 近年来，随着无线局域网( w l a n ) 、无线通信技术和微机电系统( m e m s ) 的迅速发 展，无线传感器网络技术日趋成熟瞪。国内外关于无线传感器网络定位技术的研究 也越来越多。无线传感器网络是一种特殊的a d h o c 网络，可应用于布线和供电困难 的区域、人员不能到达的区域、临时场合等。它不需要固定的网络支持，具有快速 展开、自组织性、抗毁性强等特点。通过无线传感器实现定位具有其他技术所无法 比拟的优势l 【7 】： 青岛人学硕士学位论文 ( 1 ) 性价比高。无线传感器网络通过部署硬件配置低的信标节点在定位区域即 可实现较精确的定位，无需额外的基础设施，使整个无线定位系统的价格十分低廉， 可以应用于十分广泛的无线定位场合。 ( 2 ) 提高了系统的可靠性。无线传感器网络具有内在的冗余度。由于节点的自 组织性和容错能力以及多传感器相互配合，使其不会因为某些节点的损坏而导致整 个系统的崩溃。 ( 3 ) 低功耗。无线传感器网络采用低功耗设备作为定位节点，在不工作时会进 入低功耗状态，并且能及时从低功耗状态中苏醒，使整个无线定位系统具有较长的 生命周期，特别适合于不便更换电源的应用场合抽，。 ( 4 ) 提高了定位精度。利用多节点组成的传感器网络，采用多种定位算法能够 提供精度较高的位置信息p 1 。 目前，越来越多的场合( 如博物馆、展览馆、仓库、超市等) 需要廉价、大范 围、精度高的定位功能n0 1 。如果通过布置简单、低廉的无线基础设施，并配合相应 的软件、算法实现无线定位功能，将大大节约定位系统的充本，满足以上应用场合 的定位需求。 因此，研究无线传感器网络定位技术具有重要的理论价值和广阔的应用前景。 2 国内外研究现状 根据定位机制，现有的无线传感器网络( w s n ) 定位算法主要分为基于测量 ( r a n g e - b a s e d ) 和非基于测量( r a n g e - f r e e ) 两种方法。基于测量的定位方法通过测 量接收信号强度( r s s ) 、信号到达时间( t o a ) 、信号到达时间差( t d o a ) 、信号到达角 度( a o a ) 等来测量距离或者角度，再通过合适的定位算法推算出节点的位置。基于 测量的定位机制通常定位精度比较高，但对节点硬件也提出较高的要求，能耗也较 高，并且定位精度易受温湿度、障碍物等环境因素的影响。非基于测量的定位方法 使用跳数或者网络的连通性等信息实现节点的定位，无需基础网络设施( 基站、g p s 等) ，如d v - h o p 定位算法、a p i t 定位算法、质心定位算法、a m o r p h o u s 定位算法等。 其中d v - h o p 算法在获得平均每跳距离的过程中，节点间通信量过大，且没考虑不 良节点的影响，导致定位精度不高。a p i t 定位算法通信量较小、定位精度较高，但 要求较高的信标节点密度。质心定位算法实现简单，通信量小，但定位精度低。而 a m o r p h o u s 定位算法需要预先知道网络的平均连通度。非基于测量定位算法的定位 精度和收敛速度一定程度上依赖于网络平均每跳距离估计的精度，仅适合于各向同 性或拓扑结构较简单的网络。混合使用以上方法可以实现更高的定位精确度或者降 低对某一种测量参数的要求。 2 引言 现在已经有一些无线传感器网络定位系统被提出，如m i c r o s o f t sr a d a r 1 ， h o r u s 1 2 1 1 3 1 ，a c t i v eo f f i c e n 4 1 ，h i b a l lt r a c k e r n 5 1 ，p a r et a b n 1 ，s m a r tf l o o r n 7 1 ，s p a 1 。1 ， c o n v e x 1 9 1 ，a h l o s 2 0 1 ，m d s m a p 2 1 1 ，s h a r p 2 2 1 ，h i r l o c 2 3 1 ，c e n t d o d 2 1 ，a p i t 2 5 1 ， a p s 乜町乜7 1 等。其中，基于信号强度( r s s i ) 的定位技术的研究比较成熟，在实际的 定位系统中应用较多，也取得了良好的定位结果。 基于信号强度的定位技术包括三种常见的定位方法：近似法、三角测量法和场 景分析法。近似法即当物体靠近某一已知位置时，由该位置来定位物体。三角测量 法采用三角形的几何特性计算物体的位置。场景分析法则利用从某一优势位置观察 到的场景中的特征信息来估计观察者的位置或者场景中某一物体的位置。在基于信 号强度的室内定位方法中，相应的分别是最强基站法、传播模型法和位置指纹法。 最强基站法的定位精度受基站数量的限制，要获得较高的精度，需要付出较高的硬 件代价。传播模型法的瓶颈在于研究信号传播模型。目前位置指纹法研究的较多， 位置指纹法完全在实验的基础上进行，分为离线勘测和在线定位两个阶段。离线勘 测是在待定位区域罩按照一定的间隔距离确定若干采样点，并将每个点测得的信号 强度连同其位置信息一同保存到数据库里。在线定位时，将实时测量的信号强度信 息与数据库中的信息比较，取信号强度最接近的点的位置作为估计的位置。根据位 置指纹在数据库中的保存形式，又可分为确定性方法和概率分布法。确定性方法保 存的是一定时间内信号强度的平均值；概率分布法保存的是一定时间内信号强度的 概率分布，如直方图。在匹配时确定性方法多采用欧式距离衡量两个信号强度之间 的相似性：概率分布法多使用贝叶斯公式来判断。确定性方法比概率分布法更简单， 实现更方便；而概率分布法对信号噪声的抗干扰性较好，因此准确度较高。下面介 绍几个基于信号强度实现定位的例子。 ( 1 ) r a d a r 是微软研究院研发的一种基于射频信号强度的室内定位系统，采 用位置指纹法进行定位。该系统通过构建信号强度分布图和处理特定环境的射频信 号衰落特征值的方式实现定位，能够有效减小室内环境中射频信号多经、非视距等 因素的影响，同时系统易于安装、需要很少参考节点，能采用相同的底层无线网络 结构，5 0 的定位误差在3 _ 4 3 米。 ( 2 ) e k a h a l l 定位系统是在使用i e e e 8 0 2 1 1 b 无线l a n 环境下，开发的一种可 运用接收信号强度( r s s i ) 进行位置检测的系统。e k a h a u 定位系统引入了概率统计 计算的方法，采用贝叶斯理论( b a y e sr u l e ) 对于每个信号强度测量值，给出所有可 能位置的概率，用数字量化了不确定性事件。e k a h a u 定位系统报告的平均定位精度 在3 米左右。 ( 3 ) 赫尔辛基大学的c o m p l e xs y s t e m sc o m p u t a t i o ng r o u p 项目组对无线局域网 定位技术的研究也有了成果，也是采用位置指纹法实现定位。他们把位置推算看作 3 青岛大学硕士学位论文 机器学习问题，将信号强度经验值用统计直方图的形式表示，强调信号强度采样值 的验证。该定位系统报告的中值误差距离约为2 5 7 米。 ( 4 ) 由煤炭科学研究总院重庆分院研制的k j 9 0 矿井人员跟踪定位及考勤管理 系统m 1 采用先进的远距离射频识别技术( r f i d ) 、通讯技术和计算机软件处理技术实 现定位，并采用双频点长短波频率实现可靠的双工通信。 近1 0 年，无线传感器网络定位技术的发展十分可喜，取得了丰富的成果。特别 是进入2 1 世纪后，对无线传感器网络定位问题的研究有了许多新颖的解决方案和思 路。我们列举了国内外比较成功的基于信号强度的无线传感器网络定位系统，从中发 现无线传感器网络定位技术主要存在下列一些主要问题： ( 1 ) 缺乏更有效、更精确的测距方法； ( 2 ) 大规模无线传感器网络中的误差累积问题； ( 3 ) 减少节点定位带来的通讯和计算开销，从而减小能量消耗，延长无线传感 器网络寿命； ( 4 ) 目前的研究成果大部分集中于静态节点定位，对移动节点的定位研究相对 较少。 通过深入研究国内外无线传感器网络定位系统，我们发现基于信号强度分析的 定位技术具有低成本、设备少、距离远、易获取等特点，在实际的定位系统中应用 较多，也取得了良好的定位结果。因此，我们重点研究基于信号强度的w s n 定位技 术。 3 研究内容与论文安排 用传统的基于信号强度的无线传感器网络定位方法实现室内定位主要存在以下 困难：( 1 ) 由于室内物体的挪动、电磁干扰、空气流动、温度变化、人员走动等原 因，室内空间中某一点测得的信号强度随时会发生变化；( 2 ) 构建室内信号强度数 据库需要进行大量的采样工作，一旦室内环境发生变化，需要重新构建信号强度数 据库，费时费力。针对在室内采用信号强度实现定位存在的困难，我们提出了信号 强度的理论值与经验值相融合的定位方法，将信号传播模型和实地测量相结合，既 保证了定位误差在允许的范围内，又极大的减少了实地测量的工作量，定位方法简 单、易行，在实际的定位应用中，取得了良好的定位结果。 本文主要创新点如下： l 、提出了基于理论经验值数据库的定位方法。在环境复杂、多障碍的区域采 用经验值数据库，在环境简单、无障碍的区域采用理论值数据库，从而有效减少多 径、阴影效应的影响，提高了定位精度，同时也减少了建立经验值数据库的测量工 作量。 4 引言 2 、将信号传播模型转换为理论值数据库，可以得到融合的理论经验值数据库， 解决了从简单区域到复杂区域需切换定位算法的问题。 3 、采用基于历史位置记录的辅助定位方法。系统只需计算与历史位置相邻点的 信号强度特性的相似度，大大减小了计算量，同时可以防止人员走动、空气流动、 电磁干扰等所造成的过大误差。 本文的组织结构如下： 第一章是理论准备部分，介绍了无线传感器网络的基本理论和无线传感器网络 定位系统的相关知识，为进一步的无线传感器网络定位技术研究打下了基础； 第二章提出了基于理论一经验值数据库的定位算法，并详细介绍了于理论一经 验值数据库的构建和该算法的执行过程； 第三章详细介绍了实际的无线传感器定位系统的设计过程； 第四章把本文提出的定位算法应用于实际的无线传感器定位系统，得到了实验 数据，并给出了实验结论； 最后给出了结论、下一步的工作和无线传感器网络定位存在的问题和未来发展 的目标。 5 第一章无线传感器网络定位技术 第一章无线传感器网络定位技术 随着传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处 理技术的发展，无线传感器网络技术得到了日益广泛的应用，引起了人们越来越多 的关注和兴趣，成为当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究领域。 无线传感器网络技术能够通过各类集成化的微型传感器协作的实时监测、感知和采 集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，通过随 机自组织的无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息送到用户终端。传感器网络 具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、 智能家居、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大的 实用价值，已经引起了世界上各个领域专家的高度重视和广泛关注，被认为是未来 新兴的十大技术之一。现有的绝大多数无线传感器网络定位方法都分为两个基本步 骤： ( 1 ) 测量距离( 或角度) ； ( 2 ) 定位计算。 在基于测量技术的定位方法中，两个步骤都是不可缺的。在非基于测量技术的 定位方法中，步骤( 1 ) 通常可省略，或不需直接测量距离和角度。 1 1基本术语、符号及缩略词 信标节点( b e a c o nn o d e ) ：位置已知的节点，也称为锚节点( a n c h o rn o d e ) 。 未知节点( u n k n o w nn o d e ) ：位置未知的节点，也称为待定位节点( u n p o s i t i o n i n g n o d e ) 汇聚节点( s i n kn o d e ) ：将传感器网络节点发出的信息转发到传输介质上的节点。 邻居节点( n e i g h b o r n o d e s ) ：传感器节点通信半径内的所有其他节点。 跳数( h o pc o u n t ) ：两个节点间隔的跳段总数。 跳段距离( h o pd i s t a n c e ) ：两个节点间隔的各跳段距离之和。 连通( c o n n e c t i b l e ) 节点间可以进行无线通信。 连通度( c o n n e c t i v i t y ) ：一个节点拥有的邻居节点数目。 信标节点密度( b e a c o nd e n s i t y ) ：无线传感器网络中信标节点数目与所有节点数 目的比值。 视距关系( 1 i n eo f s i g h t ，l o s ) ：两个节点间没有任何障碍物间隔，能够进行直 接的无线通信。 非视距关系( n o nl i n eo f s i g h t ，n l o s ) ：两个节点之间存在障碍物。 基于测量( r a n g e - b a s e d ) ：通过测量信号参数进行定位的方法。 7 青岛人学硕士学位论文 非基于测量( r a n g e f r e e ) ： 无需测量信号参数即可进行定位的方法。 1 2 无线传感器网络结构 在无线传感器网络中，节点可以通过飞机散布或人工布置等方式，将传感器节 点大量部署在被感知区域。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式 实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳路由将数据经由汇聚节 点( 接收发送器) 链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。同时，远程 管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵口9 1 n 0 1 1 。整个网络包括四部分，如 图1 1 所示。 图1 1 典型的无线传感器网络体系结构 网络用户( t a s km a n a g e rn o d e ) ：负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以 对网络做出各种指示、操作等。 传输介质( i n t e m e to rs a t e l l i t e ) ：用户与传感器网络之间的桥梁和纽带。 接收发送器( s i n kn o d e ) ：拥有足够的能量，可以将能量有限的传感器网络节点 发出的信息转发到传输介质上。 传感网络( w s n ) ：大量的节点自组成网，监测、感知信息，向汇聚节点发送 信息，或接收来自汇聚节点的操作命令，改变自身的工作状态。 无线传感器网络节点由4 个基本单元组成：传感单元、处理单元、通信单元以 及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：节点定位系统、移动系统以及能量 自供给系统等，如图1 2 所示。 8 第一章无线传感器网络定位技术 图1 2 无线传感器网络节点结构 传感单元：由传感器和模数转换模块组成，负责监测区域内信息的采集和数据 转换，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型； 处理单元：包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等，主要负责控制整个无线传 感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据，处理器通 常选用嵌入式c p u ； 通信单元：由无线通信模块组成，负责与其它传感器节点进行无线通信，交换 控制信息和收发采集的数据，主要由低功耗、短距离的无线通信设备组成； 电源：负责为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。 1 3 节点间距离( 或角度) 的测量方法 在无线传感器网络中，节点间距离或角度的测量技术主要有：接收信号强度法 ( r s s i ) 、到达时间法( t o a ) 、到达时间差法( t d o a ) 和到达角度法( a o a ) d 铂。 1 3 1 信号强度法( r s si ) 信号强度法( r s s i ) 通过计算信号传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型 将传播损耗转化为距离。例如，在自由空间中，距发射机d 处的天线接收到的信号 强度由下面的公式给出： 一p r ：g g ! 弓( 4 万) 2 d 2 l 其中，b 是发射功率； 是距离d 处的接收功率；q 是发射天线增益；瓯是 接收天线增益；d 是发射机和接收机问的距离，单位为米；名是信号波长，单位为 米；l ( l 1 ) 为系统损失。 9 青岛大学硕士学位论文 由公式可知，在自由空问中，接收功率随收发机间距离的平方衰减。这样，通 过测量接收信号的强度，再利上述公式就能计算出收发机间的大概距离。得到收发 机间的距离后，采用三边测量法等就可以计算出位置。然而，上述公式只是电磁波 在理想的自由空间中传播的数学模型，实际应用中的情况要复杂的多，尤其是在环 境复杂的无线传感器网络中，反射、多径传播、非视距( n l o s ) 、天线增益等问题都 会使相同距离产生不同的传播损耗。 1 3 2 到达时间法( t o a ) 到达时间法通过测量信号传播时间来测量距离。若电波从信标节点到未知节点 的传播时间为t ，电波传播速度为c ，则信标节点到未知节点的距离为t c 。t o a 要求接 收信号的节点知道电波开始传输的时刻，并要求节点有非常精确的时钟。使用t o a 技术比较典型的定位系统是g p s ，g p s 系统需要昂贵、高能耗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t o a 测距难度较大。同时 节点硬件尺寸、价格和功耗也限制了t o a 技术在无线传感器网络中的应用。 1 3 3 到达时间差法( t d o a ) 到达时间差法是通过计算两种不同无线信号到达节点的时间差，再根据两种信 号传播速度来计算未知节点与信标节点之间的距离。t d o a 法通过计算未知节点信号 到达两个信标节点的时间差，将其转换成未知节点到两个信标节点的距离之差，从 而得出自身的位置。在二维平面上，双曲线的几何意义是到两个定点的距离之差为 一个常数的所有点的集合，两个定点称作焦点。t d o a 定位在二维平面上的几何意义 为：得到未知节点到两个信标节点的距离之差，即可知未知节点位于以两个信标节 点为焦点的双曲线上，通过测量得到未知节点所属的两个以上双曲线方程时，这些 双曲线的交点即为未知节点的位置。由于这种方法不是采用绝对时间来确定节点的 位置，降低了对时间同步的要求，但是仍然需要较精确的计时功能，同时由于无线 传感器网络具有分布密集和无线通信范围小的特点，这种定位方法实现起来难度较 大。 1 3 4 到达角度法( a o a ) 到达角度法通过未知节点接收器天线或天线阵列测出信标节点发射电波的入射 角，从而构成一根从未知节点到信标节点的方位线。两根方位线的交点即为未知节 点的位置，如图1 3 所示。未知节点n 0 得到与信标节点n 1 和n 2 所构成的角度之后就 可以确定自身位置。a o a 定位法的硬件系统设备复杂，并且需要两节点之间存在视距 1 0 第一章无线传感器网络定位技术 ( l o s ) 传输，因此在无线传感器网络定位系统中应用不多。 i l l 图1 3 到达角定位法 另外，可以混合使用以上方法测量距离和角度。采用混合技术可以实现更高的 精确度，减小误差，或者降低对某一种测量参数的要求。 1 4 节点位置计算和估计方法 在获得节点问的距离( 或角度) 后就可以采用以下介绍的几种方法计算和估计 未知节点的位置。 1 4 1三边测量法( t riia t e r a tio n ) 在二维空间中，知道了一个未知节点到三个以上信标节点的距离，就可以确定 未知节点的坐标。三边测量定位法的基本原理就是求三个已知圆心和半径的圆的交 点，如图1 4 所示。 图1 4 三边测量法 已知a 、b 、c 三个节点坐标分别为( 而，乃) 、( 而，奶) 、( 而，夕3 ) ，它们到未知节 点的距离分别为盔、畋、以，假设目标节点的坐标为( 五y ) 。 青岛大学硕士学位论文 那么可以建立以下方程： o 一而) 2 + ( y - y 1 ) 2 = d ； ( x - x 2 ) 2 + ( y - y 2 ) 2 = d ；， ( x x 3 ) 2 + ( j ，一y 3 ) 2 = d ； 由上式可得到未知节点的d 的坐标为： 卜 2 ( z 。一屯) 2 ( y ，一y 3 ) - 1 i 彳一+ j ，i ! 一少；+ d ；一d 门 【y j 一【2 ( x ：一屯) 2 ( y ：啮) 儿x ；一+ y ；一y ；+ d ；一d ；j 。 由于节点间测距存在误差，实际应用中的三个圆往往无法交于一点，要求使估 计坐标与实际坐标差异最小的点，常常使用最& - - 乘估计的原理来计算未知节点的 坐标，如图1 5 所示。 图1 5 最小二乘估计法 3 已知1 , 2 ，n 等刀各节点的坐标分别为( 五，y 。) ，( x 2 ，y 2 ) ，( 毛，儿) ，它们到节点d 的距离分别为d l ，畋，吒，假设节点d 的坐标为( x ，y ) ，则，存在以下方程组： f ( 一x ) 2 + ( 乃- y ) 2 = d r ； 【( 矗- x ) 2 + ( y 。- y ) 2 = 刃 从第一个方程丌始分别减去最后一个方程，得： f 彳一- 2 ( x 。一吒) x + 订- y ：- 2 ( y ! - y 。) y = 砰一砰 ； 【。一一2 ( 吒一。一h + y l 一一一2 ( 儿一l - y ) y = d l 一西 ：r2(而一二h)；2(yly1，b=i砰一2十yi!一y月2十口n2a d ? ， = i ； i ， ! i ， l ll l 2 ( x 。一i 一)2 ( y 。一y 。) j i 2 一l k 2 + j ，：- i y ：+ d ：一d ：ll 1 2 x ：卜 l y j 第一章无线传感器网络定位技术 由于存在测距误差，合理的线性模型应该是： a x + n = b 其中，为刀一l 维随机误差向量。利用最小二乘原理，x 的值应当使模型误差 n = 6 一似达到最小，即通过最小化q ( x ) 爿in1 1 2 爿i6 一从1 1 2 求x 的估计。采用极 大似然估计法，对q ( x ) 关于x 求导并令其等于零，可以求解未知节点的最小二乘 估计： j = ( a r 彳) 。1 a r b 在三维定位的情况下，至少需要四个信标节点才能最终定位。该原理与全球定 位系统中的定位原理相同。 1 4 2 三角测量法( t ri a n g u i a t i o n ) 三角测量法也称为信号到达角度法( a o a ) 或方位测量定位法。该方法是通过 未知节点接收器天线或天线阵列测出信标节点发射电波的入射角，从而构成一根从 未知节点到信标节点的径向连线，即方位线。在二维平面中，利用两个或更多信标 节点的a o a 测量值，按照a o a 定位算法确定多条方位线的交点，即可计算出未知 节点的估计位置，如图1 6 所示。 图1 6 三角测量法 y 未知节点a 的坐标为( x o ，y o ) ，信标节点b 、c 的坐标分别为( 五，乃) 、( 而，y 2 ) 。 未知节点a 分别测得信标节点b 、c 发出信号的到达角度分别为q 和岛，则可得 i t a n ( a 1 ) = 立立 叫 l t a n ( 9 2 ) = 韭兰 1 3 青岛大学硕十学位论文 通过求解上述非线性方程，n - t p a 得到未知节点的位置坐标( x 0 ，y 。) 。 1 4 3 射频连接法( r fc o n n e c t i v i t y ) 射频连接定位法由b u l u s u 提出，多被应用于无g p s 的廉价超小型传感器户外 定位系统( g p s 1 e s sl o wc o s to u t d o o rl o c a l i z a t i o ns y s t e mf o rv e r ys m a l ld e v i c e s ) 中， 这种系统根据预先布置好的信标节点网络来对未知节点定位，网络中的传感器发射 互相重叠的信号，未知节点通过接收到各信标节点信号的强度来判断其最可能处于 的位置。该方法定位的精度与预先布置好的传感器网络的密度相关。 1 4 4r s s 信号图法( r s sp r o fi ie ) r s s 信号图法通过建立定位区域各个位置的信号强度的数据库来定位。数据库的 获取既可以通过离线测量，也可以通过在线测量。将未知节点检测到的信号强度与 数据库的数据相比较，差别最小的位置估计为未知节点的位置。离线测量是通过人 工方式测量各位置的信号强度，从而建立数据库。在线测量是通过大量位置已知的 节点来测量各个位置的信号强度，从而建立数据库。首先将大量信标节点部署在定 位区域，它们的位置是已知的。信标节点将它们测量到的各位置的信号强度集中起 来，即可建立信号强度数据库。基于信号图的方式定位精度较高，但标定工作量和 存储计算量较大，适用于复杂的、各向异性的非时变环境。 1 5 定位精度评价指标 目前评价一个定位网络的首要指标就是定位精度。常用的衡量定位精度的指标 有定位解均方误差( m s e ) 、均方根误差( i 蝴s e ) 、克拉美罗下界( c r l b ) 、圆误 差概率( c e p ) 等。此外，工程应用中还常将定位误差的概率密度函数( p d f ) 、累 计概率分布函数( c d f ) 和相对定位误差( r p e ) 等作为评价指标。 ( 1 ) 均方误差( m s e ) 和均方根误差( r m s e ) 一种常见的用于评价定位精度的度量是定位解的均方误差m s e ，在二维定位估 计中计算m s e 的方法为： m s e = e ( x - 囝2 + ( j ，一夕) 2 】 其中，( 工，y ) 为节点实际位置，( 文，夕) 为估计位置。此外，均方根误差也常用于评 价定位准确率： r m s e = 研( x 一叠) 2 + ( y 一夕) 2 】 1 4 第一章无线传感器网络定位技术 ( 2 ) 克拉美罗下界( c r l b ，c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d ) c r l b 是无偏参数估计方差的下界。为了判断定位估计器的准确率，m s e 或 r m s e 通常与c r l b 进行比较。c r l b 为任何无偏参数估计器的方差提供了一个下 界，通常适用于存在平稳高斯噪声的平稳高斯信号估计；对非高斯和非平稳信号， 可采用替代方法来评估估计器的性能。文献 3 3 】中给出了t d o a ，t o a 及a o a 定 位的c r l b 表达式。 ( 3 ) 圆误差概率( c e p ，c i r c u l a re r r o rp r o b a b i l i t y ) c e p 是定位估计器相对其定位均值的不确定性度量，对于二维系统，c e p 定义 为包含了一半以均值为中心的随机矢量的圆半径。如果定位估计器为无偏差的，c e p 即为节点相对于其真实位置的不确定性度量。如果估计器有偏差且以偏差b 为界， 则对于5 0 概率，节点的估计位置在距离b + c e p 内，此时c e p 通常用其近似值表 示。对于t d o a 双曲线定位，c e p 近似表示为： c e p 0 7 5 厢 其中，仃。2 ，盯：分别为二维估计位置的方差。 ( 4 ) 累计概率分布函数( c d f ) 累计概率分布函数是指在某个精度门限以下定位次数在总定位次数中所占的比 例，比如定位误差在1 2 5 m 以下的定位次数在所有定位次数中所占的百分比，通常 记为c d f ( 1 2 5 ) 。 ( 5 ) 相对定位误差( r p e ，r e l a t i v ep o s i t i o ne r r o r ) r p e 定义为定位精度与定位范围的半径之比，把定位精度与定位范围联系起来 考虑是有实际意义的。 1 6 无线传感器网络定位误差产生的主要原因 l 、多径传播是造成定位误差的主要因素。多径传播使得到达接收节点的各传播 分量相叠加，从而使接收到的射频信号强度与信号传播距离不成比例，造成较大的 定位误差。解决多径传播的常用办法是：采用符合实际定位场合的多个信号传播模 型；采用经验值数据库。 2 、非视距( n l o s ) 传播也是造成定位误差的主要因素。非视距传播使得射频 信号传播产生很大衰减和阴影效应，这就使得距离测量值比实际两节点问的距离要 远。目前降度非视距传播误差的方法有：利用测距误差统计的先验信息将n l o s 测 量值调节到接近l o s 的测量值；降低l s 算法中n l o s 测量值的权重，在l s 算法 中增加约束项等。 1 5 青岛大学硕士学位论文 3 、多址干扰。多址干扰问题一般出现在码分多址系统中，高功率的节点可能会 掩盖低功率节点的信号，也即远近效应。解决的方法有改进软切换方式、多用户检 测或功率控制技术、抗远近效应延时估计器等 人们已采取多种方法来减小干扰因素的影响，并提出了各种算法和技术来减小 系统的定位误差。 ( 1 ) 在信号处理方面，要改善信号测量的方式，从测量上消除或减小多径、非 视距等因素的影响； ( 2 ) 从位置估计的角度方面，可以采用后期数学上的多种算法来减d , n 量误差 的影响。 方法( 1 ) 需要配置较高的物理硬件，这样不仅增加了系统开销，还会与现有的 协议相抵触，故现有定位系统的研究并不集中于此。方法( 2 ) 通过较先进、与实际 环境相吻合的定位算法减小测量误差，提高定位精度，开销小，所以定位技术的研 究大多集中于此。 1 7 本章小结 本章是理论准备部分。首先介绍了无线传感器网络的基本术语，对无线传感器 网络结构和网络节点构成做出了详细描述。然后系统的给出了基于无线传感器网络 的定位算法和相关的定位技术。最后给出了定位精度的评价指标，总结了系统定位 误差产生的主要原因和解决的方法，为进一步研究无线传感器网络定位技术打下了 基础。 1 6 第二章基于r s s i 的w s n 定位技术分析 第二章基于r s s i 的w s n 定位技术分析 由于在室内环境采用信号强度进行定位容易受多经、非视距等因素的影响，且 构建信号强度数据库的实测工作量很大，我们提出了信号强度的理论值与经验值相 融合的定位方法，将信号传播模型和实地测量相结合，既保证了定位误差在允许的 范围内，又极大的减小了实地测量的工作量。在环境简单、无障碍的区域采用理论 值数据库，即由信号传播模型导出的数据库：在环境复杂、多障碍的区域采用经验 值数据库，即由实测数据导出的数据库。 2 1 定位方案描述 本文采用的定位方案包括两个阶段：建立理论经验值数据库阶段和实时定位阶 段。在建立理论经验值数据库阶段，先将定位区域划分为简单区域和复杂区域。在 简单区域，通过测量不同距离的信号强度衰减值，得到信号传播模型，再以一定步 长划分区域，并导出理论值数据库。在复杂区域，划分最小定位单元，实测每个单 元的信号强度值，导出经验值数据库。将理论值数据库与经验值数据库相融合得到 理论经验值数据库。在实时定位阶段，通过在历史位置附近求相似度、求几何中心 等实现定位。定位方案流程图如图2 1 所示。 2 2 建立理论一经验