无线传感器网络中的节点定位与跟踪技术

…………………………．皇　技术．一　ｌ　元线Ｔ幸憋菪＝旨翮络节点定位技术　陕西工业职业技术学院信息工程学院　吴杨孙蔚夏东盛封磊　【摘要】本文从算法性能、已有的定位算法、定位算法的分类和ＷＳＮ节点定位机制的评价标准等方面，针对无线传感器的网络定位技术进行详细的分析和探讨。并与经　典的ＡＰＩＴ算法、凸规划定位算法进行了比较。结论显示出在不同的环境之下不同的算法各有优劣，并不能指出最好的算法。实际操作中应该根据实际的需求来选择算　法，并对未来无限传感器网络节点定位技术的发展方向做出了预测。　【关键词】无线传感器；网络节点：定位技术　前言　无线传感器网络（ＷＳＮ）是基于微机电　系统、数字电子技术和无线通信的发展上所　形成的厄一种新型技术，其主要的核心内容　包括有网络通信协议、节点定位、时钟同步　覆盖和布局等等ｕ　。其中，对于无线传感器　网络空间探测、目标追踪和环境监测等功能　而言，节点定位是必不可少的技术内容，同　时也是无线传感器网络的基础功能之一。当　前，无线传感器网络节点定位技术的最新研　究方向主要集中在能耗、覆盖率、节点密　度、定位精度和定位系统的算法优势上，以　下将对其进行详细的描述。　１．定位机制　无线传感器网络节点的分布是随机性　的，相对能量受到限制且可靠性不足，在有　限的距离限制下，这就对于算法的技术提出　了较高的要求。一般而言定位的机制可以分　为以下几个程序：首先是采取ＡＯＡ、ＴＤＯＡ、　ＴＯＡ和ＲＳＳＩ等测量技术来获取邻居锚节点的角　度和距离，并通过信息的联通的估算节点间　的实际距离　。然后，通过算法的运算来得　出实际的距离值　一般可以采取的计算方式　有极大似然估计法、三角测量法和三边测量　法等等。最后，对所得的数据进行处理和优　化。　２．性能指标的评价　无线传感器网络节点的定位技术的性　能，对其他功能都有着直接性的影响。因此　在对其进行评价的方面，我们一般选取以　下指标来作为对象和标准。例如，代价、功　耗、自适应性和容错性、覆盖率、锚节点密　度和定位精度等　。都是常用来衡量和评价　无线传感器网络节点定位技术性能的指标。　３．无线传感器网络定位算法的种类　无线传感器网络定位算法的种类多种多　样，一般都没有固定的标准，往往根据实际　的情况来进行分类和区分。　３．１测距定位和非测距定位　第一种采取的是测量两个节点之间的方　位和距离，根据做的的具体数据来推测两个　节点之间的大概位置。而第二种方式则无需　测量精确的距离，还需要通过测量相对的距　离或者位置就可以推算出两个节点之间的大　概距离，并推算出其大概位置。Ｒａｎｇｅ－ｂａｓｅｄ　定位算法的常用的方式主要有到打搅测距　ＡＯＡ、时间差测距ＴＤＯＡ、到达时间测距ＴＯＡ￣Ｈ　接受信号强度测距ＲｓｓＩ等　ｊ。　３．２相对定位和绝对定位　和物理定位基本类似，是绝对定位的特　点。定位的结果通常都可以得到一个精确的　位置坐标。与之相对应的相对定位方式，则　是利用网络中己知的定位节点形成的整体网　络作为基础，以绝对定位的节点坐标为对照　来定位其余的节点。这种定位方式的优点是　不太容易受到节点移动的影响，在应用的范　围上具有广阔性。并且在相对定位的基础上　还可以实现一定程度上的路由协议。这种路　由协议是不需要锚节点的。　３．３分布式计算和集中式计算　所谓的分布式计算是指根据节点和节．点　之间的协调和信息交换，任由节点自由进行　计算的一种计算形式；而集中式计算则是指　将所需要运算的信息通过节点传输到中心节　点之后再进行定位计算，最后得到结果的一　种计算方式。　３．４松散耦合和紧密耦合　松散耦合的定义是指定位系统中的各个　锚节点采取的是不需要中心控制器的协调形　式和分布状态。而紧密耦合是指各个节点通　过固定的形式与中心控制器相连接，并且固　定在一定的物理位置上。　３．５粗粒度和细粒度　细粒度是指可以依据时间的长短和信息　信号的强弱来判断锚节点之间的位置。并且　还可以分为基于方向测量和距离两种不同的　测量形式。而粗粒度是指依据锚节点之间的　接近程度来进行节点距离的估算和测量。　４．经典无线网络传感器定位系统算法　怎对无线传感器网络节点定位的经典　算法有很多种，其中在各种不同的使用环境　下，不同的算法具有不同的优点和是适应　性，很难说哪一种是最好的，并且由于节点　的数量上的限制，计算能力和存储能力的局　限性，因此对于算法的要求是尽量的高效简　单的。经典的Ｒａｎｇｅ—ｂａｓｅｄ定位算法从精确度　上而言非常不错，但是由于大部分的系统成　本较低，功率较低，因此很难运用这种能耗　大，复杂性高的系统。　４．１　ＡＰＩＴ算法　该算法的核心思想是将需要定位的节　点周边的节点位置信息收集到位，主要是形　成三个已知锚节点形成的三角区域内，位置　节点是否存在其中，并且运算出所有的可能　性，最后对未知的节点进行精确的定位。这　种算法的优点是具有较小的误差概率，但是　也会有一定的使用缺点那就是对于参考节点　的密度较大，所以如果节点的密度较低的情　况下，不适宜选取这种算法。　４．２凸规划定位算法　这种算法的基础是来源于网络的连通性　来实现的，通过约束诱导节点之间两点的通　信连接来作为节点定位的几何约束的基础。　这种算法的优势在于将整个网络模块化并且　形成了一个凸集，从而将节点定位的问题转　换成为了凸约束优化的问题来解决。　５．小结　文章中，针对经典的无线传感器网络节　点技术的算法进行了简答的比较和分析，并　对定位的算法分类、评价的标准和性能评估　都做了一定阐述，比较了算法之间的优势。　总而言之，在不同的测试环境下，不同的算　法具有不同的功效，没有说哪一种算法是最　好的，因此具体采取哪种算法应该根据实际　的运用需求来进行实际分析。　参考文献　［１】王梓有，周宪英．无线传感嚣网络中ＡｏＡ节点定位改　进算法研究田电子设计工程．２０１２（１３）．　ｆ２１刘世森，汤朝明，吴畏．无线传感嚣网络中的ＴＯＡ测距　方法研究Ⅱ】ｌ工矿自动化．２ｏ１２（０３）．　［３］刘影，钱志鸿，王雪，李奕男．基于到达时间差的无线传感　器网络质心定位算法Ⅱ】．吉林大学学报（工学版）．２０１０（０１）．　【４］孙妍，陶正苏，陈德富．基于无线传感器网络的室内精　确定位算法Ｕ】．传感器与微系统．２ｏ０９（０５）．　注：基金编号：ｚｋｌ３－３７。　

河北北方学院毕业论文

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目录

摘要 ................................................................................................................................................. 3

Abstract ........................................................................................................................................... 4

第1章 绪论 ............................................................................................................................... 5

1.1选题的背景和意义 .................................................................................................................. 5

1.2无线传感器网络定位问题 ....................................................................................................... 6

1.2.1无线传感器网络的发展 .................................................................................................. 6

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无线传感器网络中的节点定位算法

作者：陈凤娟

来源：《信息安全与技术》2013年第10期

【 摘 要 】 无线传感器网络是由部署在监视区域的大量微型的具有无线通信及计算能力的传感器节点，以无线多跳通信方式构成的分布式自组织网络系统。它能根据环境需要，通过功能有限的传感器节点之间的协同工作，对监控区域内的环境或监测对象的信息进行实时感知、采集和处理，获得详尽而准确的侦测数据。本文主要分析无线传感器网络中的定位技术，研究如何降低网络中的能量消耗，延长网络寿命。

【 关键词 】 无线传感器网络；节点定位；锚节点；能量消耗

【 中图法分类号 】 TP393 【 文献标识码 】 A

1 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由成百上千的传感节点组成的非结构化的无线网络，通过这些传感节点间的互相协作，WSN同时具备了信息获取、信息处理和信息传播等多种功能。

对于无线传感器网络这个全新的研究领域，吸引了很多学者的目光，尤其是在节点的定位研究方面。对定位的研究能使无线传感器网络的应用更广泛，而高效的定位算法能提高无线传感器网络的其他研究领域的效率。本文首先分析了无线传感器网络的基本概念和结构，然后介绍了常见的节点测距方法，再分析根据各种节点测距方法构造的各不相同的节点定位算法，比较各个算法的优缺点，最后对无线传感器中的节点定位算法的研究未来进行展望。

2 无线传感器网络的概念及结构

无线传感器网络是由大量具有传感功能、数据处理功能和无线通信功能的传感器节点构成的分布式自组织网络，它能根据环境需要，通过功能有限的微小的传感器节点进行协同工作，完成对网络覆盖的地理区域中的对象进行感知、采集、处理和发布感知信息等任务。

无线传感器网络中的节点根据功能的不同，可以分为普通传感器节点（Sensor Node）、网关（汇聚）节点（Sink Node）和管理节点三类。而传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。传感器模块负责对监测区域内的信息进行采集以及数据转换，处理器模块是整个传感器节点的中心，它负责完成节点的所有计算、存储和控制等工作，无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，完成交换控制信息和传输数据的通信工作，能量供应模块负责为传感器模块、处理器模块和无线通信模块供给能源，提供传感器节点正常工作所必需的能量。 龙源期刊网

２０１１年第２Ｏ卷第９期　ｈｔｒｐ：ｌｌｗｗｗ．ｃ—Ｓ—ａ．ｏｒｇ．ｃｎ　计算机系统应用　

无线传感器网络节点定位技术①　

秦小虎，辛云宏，夏海峰，吴俊林　

ｆ陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安７１００６２）　

摘要：对无线传感器网络定位技术进行了深入的探讨，从ＷＳＮ节点的定位机制、定位算法的分类、已有的定　位算法及算法性能的评价标准等方面进行分析，并对比了质心定位算法、ＤＶ－Ｈｏｐ算法、凸规划定位算法、ＡＰＩＴ　

算法等几种经典的方法。结果表明：各种算法在不同的应用环境下所表现的性能差别较大，没有哪种算法是最　

优的，应根据最感兴趣的性能指标选择合适的算法。最后提出了无线传感器网络节点定位技术需要解决的问题　

和研究方向。　

关键词：无线传感器网络；节点定位；定位机制；评价标准；定位算法　

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｎｏｄｅ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＱｒＮ　Ｘｉａｏ－Ｈｕ，ＸＩＮ　Ｙｕｎ—Ｈｏｎｇ，ＸＬ　Ｈａｉ－Ｆｅｎｇ，ＷＵ　Ｊｕｎ—Ｌｉｎ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｌｌ　７１００６２．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｔｈｏｒｏｕｇｈ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈａｔ　ｗａｓ　

ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　

ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｗｅ　ｈａｖｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ