【摘 要】本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，并且對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)進行了相關(guān)的研究。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位技術(shù)；研究

隨著低功耗無線通信、微機電系統(tǒng)的發(fā)展，以及分布式信息處理技術(shù)、普適計算的大量研究，低成本、低功耗、大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為一種新興技術(shù)提供了一種全新的信息獲取和信息處理方式，極大地擴展了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認識世界的能力，引起了人們的廣泛關(guān)注，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或者監(jiān)測對象的信息，并且對其進行處理，傳送給所需要的用戶。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

通常在監(jiān)測區(qū)域預(yù)先部署大量傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

整個網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器節(jié)點（node）、匯聚節(jié)點（Sink）、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等組成。傳感器節(jié)點以協(xié)作方式感知部署區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象和采集相關(guān)信息，采集數(shù)據(jù)在發(fā)送之前或者轉(zhuǎn)發(fā)過程中可進行信息預(yù)處理，然后遵循某種路由協(xié)議下，沿著網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點進行逐跳傳輸，經(jīng)過多跳路由后被傳遞到匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點也稱為數(shù)據(jù)中心（data center）或基站（basestation），具有較強的處理能力、存儲能力和通信能力，是連通傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換的一座橋梁。當(dāng)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點傳送到匯聚節(jié)點后，可以對數(shù)據(jù)進行過濾、融合等再處理，然后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星提供給用戶展現(xiàn)、分析。用戶也可以對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，例如發(fā)送查詢請求或者分配監(jiān)控任務(wù)等。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用

2.1軍事應(yīng)用方面

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用很廣泛。進入21世紀(jì)后，信息化成為各個國家發(fā)展軍事重要的方面，誰在信息的獲取、傳輸、處理上領(lǐng)先，誰就可以把握整個戰(zhàn)爭的主動權(quán)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有自組織網(wǎng)絡(luò)的特性，可以在戰(zhàn)場布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。這些節(jié)點自組網(wǎng)絡(luò)，將戰(zhàn)場的信息進行收集、傳輸和信息融合，然后將采集的信息作為情報信息參考。例如，布置節(jié)點到戰(zhàn)場實現(xiàn)敵方地形和兵力及其裝備信息偵查、戰(zhàn)況實時監(jiān)視、定位攻擊目標(biāo)、戰(zhàn)場信息評估、核攻擊檢測和生物化學(xué)攻擊等功能。

2.2定位技術(shù)

在傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用中，節(jié)點位置至關(guān)重要，離開位置信息，采集的數(shù)據(jù)也失去了實際意義。定位技術(shù)也是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)之一，目前的一個熱點研究領(lǐng)域。由于位置信息的重要性，網(wǎng)絡(luò)部署后，節(jié)點應(yīng)該能夠自主確定自身位置，由于受資源、成本和應(yīng)用環(huán)境限制，每個節(jié)點配置GPS或者人工配置顯得不現(xiàn)實，因此必須開展適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的定位機制研究。然而，節(jié)點存在資源受限、隨機部署、通信易受干擾等特點，定位機制必須滿足自組織性、魯棒性、能量有效等要求，并且必須具有良好的可擴展性、容錯性、適應(yīng)資源有限的約束。目前，針對不同的應(yīng)用運用了許多定位技術(shù)，按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)分為測距和非測距、集中式和分布式等類型。

3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點定位技術(shù)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過某種方法在基于已知節(jié)點位置信息的情況下來計算和確定未知節(jié)點或者目標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)位置的技術(shù)。

3.1基于測距（Range-based）的定位技術(shù)

基于測距（Range-based）的定位技術(shù)是先測量錨節(jié)點和未知節(jié)點之間的距離，然后再利用幾何關(guān)系來估算未知節(jié)點的坐標(biāo)位置。該定位技術(shù)主要分為三個階段。（1）測距階段：未知節(jié)點首先測量到鄰居節(jié)點的距離或角度，然后進一步計算到鄰近信標(biāo)節(jié)點的距離或方位；（2）定位階段：未知節(jié)點在計算出到達三個或三個以上信標(biāo)節(jié)點的距離或角度后，利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標(biāo)；（3）正階段：對求得的節(jié)點的坐標(biāo)進行求精，提高定位精度，減少誤差。

常用的測距技術(shù)主要有以下三種。（1）基于接收信號強度指示（RSSI）的定位算法；（2）基于信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA）的定位算法；（3）信號相位差（PDOA）的定位算法。

3.1.1基于接收信號強度指示（RSSI）的定位算法

基于RSSI的定位算法，是已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，根據(jù)接收節(jié)點收到的信號強度，計算出信號的傳播損耗，將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，最后計算節(jié)點的位置。

其中：——距離發(fā)射節(jié)點d（m）處的接收功率；

——參考距離處的功率，n為信號衰減因子，常用取值為；

——均值為0的高斯隨機變量，標(biāo)識系統(tǒng)誤差因素，方差的取值是10。

3.1.2信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA）

在基于TDOA的定位機制中，發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離。

發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射無線射頻信號和超聲波信號，接收節(jié)點記錄下這兩種信號的到達時間、，已知無線射頻信號和超聲波的傳播速度為、， 那么兩點之間的距離為，其中。

3.1.3信號相位差（PDOA，phase difference of arrival）測距

信號相位差測距法是根據(jù)節(jié)點所處位置不同而造成的信號傳播引起相位差異來計算信號往返所需要的時間，然后再計算節(jié)點之間的距離。節(jié)點間的距離和相位差之間的關(guān)系如下公式所示：

上個公式中，表示信號傳播的波長；表示信號的傳播頻率；表示發(fā)送信號和反射信號之間的相位差?？梢詮纳厦婀降贸鰀的范圍是[0， ]。節(jié)點之間的距離會存在差異，如果節(jié)點兩者之間的距離有倍的距離差，那么測量獲得的相位也是相同的。這時候公式表示如下：

這個公式中，n是不小于0的整數(shù)。利用相位差測距，首先要估算節(jié)點間的距離然后才能確定n的值，最后利用上述公式來計算出距離。相位差測距在小范圍內(nèi)的監(jiān)測區(qū)域誤差不大，但是在大面積的場所測試的結(jié)果誤差會很大。

3.2基于無需測距的定位技術(shù)

該技術(shù)不用對距離進行測量，而是利用網(wǎng)絡(luò)連通度、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等信息對節(jié)點坐標(biāo)進行估計，其多為理論上的研究，定位精度較低且與網(wǎng)絡(luò)的連通度和節(jié)點的密度相關(guān)。其使用范圍有一定的局限性。

3.2.1質(zhì)心算法

一種完全基于網(wǎng)絡(luò)連通度的定位算法，以待定位節(jié)點通信范圍內(nèi)的所有信標(biāo)節(jié)點作為其質(zhì)心來估算位置。

其中：為待定位節(jié)點的坐標(biāo)，n、為信標(biāo)節(jié)點的個數(shù)和坐標(biāo)。

3.2.2 DV-Hop算法

DV-Hop算法基本過程就是將未知節(jié)點到錨節(jié)點間的距離用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均每跳距離和到錨節(jié)點間的跳數(shù)乘機來估計，再用三邊定位法來得未知節(jié)點的位置信息。平均每跳的距離公式為：

其中：、信標(biāo)節(jié)點i、j的坐標(biāo)；信標(biāo)節(jié)點i與j之間的跳段數(shù)。

4. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)發(fā)展展望

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)是一個應(yīng)用廣泛的研究領(lǐng)域，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)的研究還需要進一步的深入和擴展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)可以從以下幾個方面進行深入研究：（1）標(biāo)準(zhǔn)的仿真技術(shù)和仿真系統(tǒng)的建立可用來模擬定位算法；（2）對于定位算法的性能評價，可以實現(xiàn)模型化和量化；（3）在變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，定位算法能夠具有自調(diào)整的性能；（4）大規(guī)模或者超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)自身定位的實現(xiàn)和節(jié)點定位的高精度的實現(xiàn)。

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