-无线传感器网络定位算法

无线传感网络定位算法目录一、常用定位技术...........................................................................................................................21.1GPS与A-GPS定位.........................................................................................................21.2基站定位（cellID定位）..............................................................................................31.3WifiAP定位.....................................................................................................................31.4FRID、二维码定位...........................................................................................................3二、定位算法研究的目的和意义...................................................................................................4三、WSN定位算法分析................................................................................................................53.1基于锚节点的定位算法...................................................................................................53.1.1距离相关定位算法................................................................................................53.1.2距离无关定位算法................................................................................................63.2基于移动锚节点的定位算法...........................................................................................83.2.1基于移动锚节点的距离相关定位算法................................................................93.2.2基于移动锚节点的距离无关定位算法..............................................................11四、总结.........................................................................................................................................13附：组员及分工情况........................................................................................错误!未定义书签。一、常用定位技术1.1GPS与A-GPS定位常见的GPS定位的原理可以简单这样理解：由24颗工作卫星组成，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。在整个天空范围内寻找卫星是很低效的，因此通过GPS进行定位时，第一次启动可能需要数分钟的时间。这也是为啥我们在使用地图的时候经常会出现先出现一个大的圈，之后才会精确到某一个点的原因。不过，如果我们在进行定位之前能够事先知道我们的粗略位置，查找卫星的速度就可以大大缩短。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。民用精度约为10米，军用精度约为1米。GPS的优点在于无辐射，但是穿透力很弱，无法穿透钢筋水泥。通常要在室外看得到天的状态下才行。信号被遮挡或者削减时，GPS定位会出现漂移，在室内或者较为封闭的空间无法使用。正是由于GPS的这种缺点，所以经常需要辅助定位系统帮助完成定位，就是我们说的A-GPS。例如iPhone就使用了A－GPS，即基站或WiFiAP初步定位后，根据机器内存储的GPS卫星表来快速寻星，然后进行GPS定位。例如在民用的车载导航设备领域，目前比较成熟的是GPS+加速度传感器补正算法定位。在日本的车载导航市场是由Sony的便携式车载导航系统Nav-U1首先引入量产。例如在增加了三轴陀螺仪的iphone4里可以利用三轴陀螺仪来辅助完成定位，具体可以参见这篇文章的介绍，不过三轴陀螺仪定位的误差会随着时间逐渐积累。1.2基站定位（cellID定位）小区识别码（CellID）通过识别网络中哪一个小区传输用户呼叫并将该信息翻译成纬度和经度来确定用户位置。CellID实现定位的基本原理：即无线网络上报终端所处的小区号（根据服务的基站来估计），位置业务平台把小区号翻译成经纬度坐标。基本定位流程：设备先从基站获得当前位置（CellID）（第一次定位）设备通过网络将位置传送给Ａgps位置服务器Agps服务器根据位置查询区域内当前可用的卫星信息，并返回设备设备中的GPS接收器根据可用卫星，快速查找可用的GPS卫星，并返回GPS定位信息。1.3WifiAP定位设备只要侦听一下附近都有哪些热点，检测一下每个热点的信号强弱，然后把这些信息发送给网络上的服务端。服务器根据这些信息，查询每个热点在数据库里记录的坐标，然后进行运算，就能知道客户端的具体位置了。一次成功的定位需要两个先决条件：客户端能上网，侦听到的热点的坐标在数据库里有1.4FRID、二维码定位通过设置一定数量的读卡器和架设天线，根据读卡器接收信号的强弱、到达时间、角度来定位。目前无法做到精准定位，布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大，另外从成本上来讲WIFI经济实用些。二、定位算法研究的目的和意义定位是大多数应用的基础。由于节点工作区域往往是人类不适合进入的区域，或者是敌对区域，甚至有时传感器节点需要通过飞行器抛撒，因此节点的位置通常是随机并且未知的。而传感器节点自身的正确定位是提供监测事件位置信息的前提，没有位置信息的监测消息往往是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件，除能报告事件的发生地外，还能进行目标跟踪，实时监视目标路线，预测目标轨迹等；实现对外部目标的定位和追踪。另一方面，了解传感器节点位置信息还可以协助路由，提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置等网络管理。因此，确定事件发生的位置或获取消息的节点位置尤为重要，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。而全球定位系统是目前使用最广泛最成熟的定位系统，通过卫星的授时和测距对用户节点进行定位，具有精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点，但是定位适应于无遮挡的室外环境，用户节点通常能耗高且体积大，成本也比较高，需要固定的基础设施等。人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，这使得它不适用于低成本自组织的传感器网络，因此必须采用一定的机制与算法实现WSN的自身定位。随着计算机技术、微电子技术和通信技术的进步，传感器已朝着集成化、微型化、智能化和低能耗的方向快速发展，使其能够在较小体积内集成信息采集、数据处理和信息的传输等多种功能，这为无线传感网(WirelessSensorNetworksWSN)的产生和发展奠定了基础。无线传感网是由部署在监测区域内大量廉价微型的具有有限数据处理能力和装备有低能耗无线信号收发器的传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，其目的是利用网络节点协作地感知和采集网络覆盖区域内感兴趣的信息，并发送给观察者。它通过大量随机部署在监测区域的传感器节点来监测和感知周围的物理环境。无线传感网具有布线成本低、监测精度高、系统容错性好、可远程监控以及便于诊断与维护等众多的优点，它的产生解决了传统传感器网络在应用中遇到的安装、维护等方面的种种困难。其在军事、工业、医疗、交通、环保等领域有着广阔的应用前景。如果说互联网改变了人与人之间的信息交流方式，那么，无线传感网的产生将改变人与自然界的交互方式。三、WSN定位算法分析3.1基于锚节点的定位算法3.1.1距离相关定位算法距离相关定位算法一般利用一定的测距技术得到节点间距离，再利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算出未知节点的位置。常用的测距技术包括接收信号强度(RSSI)技术、信号传输时间(TOA)技术、信号到达时间差(TDOA)技术和信号到达角度(AOA)技术。它们需要一些昂贵的辅助测量设备来测量节点间的距离，且受环境影响较大。如RSSI产生的测量误差较大；TDOA需要节点具有超声波发送与接收功能；AOA容易受到环境影响，功耗较大等。但距离相关定位算法的一个突出优点是定位精度高，因此对定位精度要求比较高的场合都用基于测距的定位算法实现定位。典型算法：接收信号强度指示法（RSSI）通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离。假设已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。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：𝑝𝑟(𝑑)=𝑝𝑡𝐺𝑡𝐺𝑟𝜆2(4𝜋)2ⅆ2𝐿其中，𝑝𝑡为发射机功率，𝑝𝑟(𝑑)是距离d处的接收功率，𝐺𝑡、𝐺𝑟分别是发射天线和接收天线的增益，d是距离，单位为米（m），L为与传播无关的系统损耗因子，λ是波长，单位为米（m）。由公式可知，在自由空间中，接收机功率随发射机与接收机距离的平方衰减。这样，通过测量接收信号的强度，再利用上述公式即可计算出收发节点间的大概距离。3.1.2距离无关定位算法利用节点间的连通情况来估测自己的位置。其中一部分距离无关算法采用集中式计算模式，用一些优化方法来提高定位精度，但是集中计算方式需要网络中有计算中心支持，且计算中心附近节点通信量大，很快能量耗尽，使整个网络不可用。绝大多数距离无关定位算法采取分布式计算模式，可扩展性好；由于位置估测基于节点间的连通情况，计算简单而且容易实现；计算在节点本地进行，通信量小。因为基于估测距离，距离无关算法定位精度不如距离相关算法好。典型算法：DV-hop算法距离向量—跳段(distancevector-hop，DV-Hop)定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制，DV-Hop算法的定位过程主要分为3个阶段：1)计算未知节点与每个信标节点的最小跳数，锚节点向邻居节点广播自身位置信息的分组，其中，包括跳数字段，初始化为0。接收节点记录具有到每个锚节点的最小跳数，忽略来自同一个锚节点的较大跳数的分组。然后，将跳数值加1，并转发给邻居节点。通过这种方法，网络中的所有节点能够记录下到每个锚节点的