無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)節(jié)點(diǎn)定位的基本原理第2頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月無(wú)線傳感網(wǎng)中包含大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，通常節(jié)點(diǎn)的放置采用隨機(jī)撒布放置方式，采用人工標(biāo)定來(lái)確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，工作量巨大，很難完成。為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置GPS可直接獲得節(jié)點(diǎn)的位置，但由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，考慮到價(jià)格，體積，功耗等因素的限制，通常不采用這種方案第3頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月較合理的方法是為部分節(jié)點(diǎn)事先標(biāo)定好準(zhǔn)確位置或?yàn)樗麄兣鋫銰PS，這些節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)。目前節(jié)點(diǎn)定位的熱點(diǎn)集中于如何利用這些錨節(jié)點(diǎn)提供的位置信息與節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，來(lái)計(jì)算非錨節(jié)點(diǎn)的位置。第4頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位問(wèn)題的一般前提假設(shè)網(wǎng)絡(luò)具有較高的密度網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有全網(wǎng)唯一的id在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下，所有節(jié)點(diǎn)具有相同的最大通信距離在定位過(guò)程中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置不變第5頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月節(jié)點(diǎn)定位的方法第6頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月無(wú)線信號(hào)測(cè)量方法測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間（TOA.TimeofArrival)-已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，得到的結(jié)果精度高，但要求節(jié)點(diǎn)保持精卻時(shí)間同步，對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件和功耗提出了較高的要求。測(cè)量不同信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA.TimeDifferenceofArrival）-由兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信號(hào)，待定位節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離。這種技術(shù)對(duì)硬件要求較高，但是測(cè)距誤差小，使用這種方法發(fā)送信號(hào)易受干擾，不適合于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)第7頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月測(cè)量接收信號(hào)到達(dá)角（AOA.AngleofArrival)-通過(guò)天線陣列或多個(gè)超聲波接收器感知發(fā)射結(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，由此獲得接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射結(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度。這種技術(shù)對(duì)接受硬件要求較高。測(cè)量節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI.ReceivedSignalStrengthIndicator）-利用信號(hào)在傳遞過(guò)程中的衰減特性進(jìn)行距離估計(jì)。已知發(fā)射結(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，基于理論和經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)衰減模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離。該方法符合低功率，低成本的要求，但信號(hào)強(qiáng)度易受環(huán)境影響。第8頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月測(cè)量節(jié)點(diǎn)是否在發(fā)射信號(hào)的接受范圍之內(nèi)-使用已知發(fā)射功率的信號(hào)，或者使用定向天線改變發(fā)射信號(hào)方向來(lái)檢測(cè)接收節(jié)點(diǎn)是否在信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)，通過(guò)覆蓋區(qū)域的重疊面積計(jì)算來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的位置范圍。第9頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月節(jié)點(diǎn)定位計(jì)算方法獲得了檢測(cè)量后，利用如下方法得到節(jié)點(diǎn)定位三邊（多變）計(jì)算法：已知平面上（空間上）三（多）點(diǎn)的位置A,B,C，以及D點(diǎn)到A,B,C的距離,利用幾何方法可求得D點(diǎn)的坐標(biāo)。三角（多角）計(jì)算法：已知平面（空間）三（多）點(diǎn)的位置A,B,C,以及D點(diǎn)為角頂點(diǎn)，角邊的端點(diǎn)為A,B,C的角度，可求出D點(diǎn)的坐標(biāo)。極大似然估計(jì)法：已知很多節(jié)點(diǎn)D的相鄰節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及他們到節(jié)點(diǎn)D的距離或方位，使用最小均方差估計(jì)方法得到節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)。第10頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月利用范圍重疊計(jì)算：重疊區(qū)域質(zhì)心算法：定位算法首先確定包含未知節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，計(jì)算這個(gè)區(qū)域的質(zhì)心，并將其作為未知節(jié)點(diǎn)的位置。凸規(guī)劃算法：將節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸約束優(yōu)化問(wèn)題，，然后使用半定規(guī)劃和線性規(guī)劃的方法得到一個(gè)全局優(yōu)化的解決方案。跳數(shù)距離估算法：計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的跳數(shù)，利用估算或者直接使用節(jié)點(diǎn)的通信半徑得到平均每跳的距離，在結(jié)合跳數(shù)估算距離。第11頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月變覆蓋范圍定位算法：利用移動(dòng)的錨節(jié)點(diǎn)周期性廣播其當(dāng)前位置，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些信息計(jì)算其位置（包括ID，位置，時(shí)間戳），該算法的理論基礎(chǔ)是圓的任意兩條不同弦的垂直平分線的交點(diǎn)即為圓的中心?；蛘咄ㄟ^(guò)錨節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率和定向天線的方向來(lái)產(chǎn)生多個(gè)覆蓋區(qū)域。模塊匹配算法：通過(guò)比較數(shù)據(jù)庫(kù)中訓(xùn)練模板與接收信號(hào)模板實(shí)現(xiàn)定位，該方法稱為“指紋識(shí)別”，該方法中使用隨機(jī)概率的方法對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行建模。第12頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月定位算法的歸類第13頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月集中式計(jì)算和分布式計(jì)算集中式計(jì)算是指將需要的信息傳送到某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算。典型的集中式算法有凸規(guī)劃，質(zhì)心定位算法，MDS-MAP算法，APIT算法等。分布式計(jì)算是指依賴節(jié)點(diǎn)間的信息交換和協(xié)調(diào)，由節(jié)點(diǎn)自行計(jì)算的定位方式，典型的算法有BoundingBoxl,Dv-Hop,RobustPositionl等。第14頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月基于測(cè)距技術(shù)的定位和無(wú)需測(cè)距技術(shù)的定位基于測(cè)距技術(shù)通過(guò)的到節(jié)點(diǎn)間的距離或角度信息，使用三邊測(cè)量，三角測(cè)量極大似然估計(jì)等方法計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置。無(wú)需測(cè)距技術(shù)，不需要距離和角度信息，僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通范圍等信息實(shí)現(xiàn)定位。典型的基于測(cè)距定位的有AHlos，不需要測(cè)距的算法有質(zhì)心定位算法，MDS-MAP算法，APIT算法等。第15頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月絕對(duì)定位和相對(duì)定位絕對(duì)定位的定位結(jié)果是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)位置，如經(jīng)緯度。目前大部分WSN系統(tǒng)采用這種表示方式。相對(duì)定位通常以網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)為參考，簡(jiǎn)歷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。典型的相對(duì)定位算法有SPA。而MDS-MAP定位算法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的不同分別實(shí)現(xiàn)兩種定位。第16頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月細(xì)粒度定位和粗粒度定位根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱，時(shí)間，方向和型號(hào)模式匹配等完成定位的稱為“細(xì)”，根據(jù)節(jié)點(diǎn)接近度定位的稱為“粗”。高精度的定位技術(shù)往往要求較高的器件水平和能耗，在有些場(chǎng)合下，為了滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低成本，低能耗的要求，需要根據(jù)任務(wù)要求選擇適度“粗”的算法。細(xì)粒度的典型算法有質(zhì)心算法，activeBadge，凸規(guī)劃等，粗粒度的典型算法有跳數(shù)距離估算法。第17頁(yè),共20頁(yè)，星期六，2024年，5月循環(huán)求精和一次計(jì)算大部分定位算法都采用一次計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)位置，循環(huán)求精是在起始階段得到節(jié)點(diǎn)位置的粗略估計(jì)，在循環(huán)階段每個(gè)節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播他的位置估計(jì)，并根據(jù)從鄰居節(jié)點(diǎn)接受的位置信息和節(jié)點(diǎn)間的測(cè)距結(jié)果重新計(jì)算自身位置，直至兩次計(jì)算得到的位置估計(jì)之差小于一定的域值。典型的循環(huán)求精算法有Cooperativeranging和Two-phasepositioning。第18頁(yè)