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无线传感器网络定位概念

时间:2022-09-11 15:00:00 无线传感器网络wsn全解电磁耦合传感器传感器1宽带传感器022无线传感器

1 定位的概念

在无线传感器网络定位中,有两种情况:在网络中检测节点自定位、对未知目标源盲定位

1.1 自定位节点

由节点本身携带GPS通过自定位系统获得的自定位节点称为定位设备等设备获得自己的精确定位信标节点也叫做锚节点

1.2 盲定位节点

未知目标源的位置根据信标节点的定位机制确定。节点的盲定位可分为两类:有源定位无源定位

1.2.1 有源定位

网络中的监测节点利用有源设备(雷达、激光、声纳等)向定位目标发送各种定位信号,然后通过一系列测量和处理接收监测目标的返回信号。

优点: 全天候、高精度
缺点: 无隐蔽性,易受电子干扰

1.2.2 无源定位

在定位过程中,网络中的监控节点不向定位目标发送信号(电磁或其他定位信号)。监控节点与监控设备之间没有协作通信。监控节点只能通过搜索、测量和处理目标上发送的电磁信号来获得目标的位置和参数信息,从而实现定位跟踪。

优点: 反侦察、抗干扰、可进行目标识别(弥补有源雷达的不足)

目前主要研究的定位算法是被动无源定位。
被动: 监控网络无法控制监控目标,无法根据自身定位需要增加软硬件支持。

基于无线传感器网络的信号无源定位和跟踪具有以下特点:

  • 无源定位,直接定位方不向目标信号发送信号
  • 多站协作,监控节点需要多次测量,空间移动,或多站之间有信息交互协作
  • 计算量大,获取目标位置所需的计算量高于其他信息
  • 定位精度、系统内参和定位节点的数量及布局

2.定位基本术语

中文名词 英文名词 含义
邻居节点 neighour nodes 所有其他节点位于指定传感器节点的通信半径内,称为该节点的邻居节点
跳数 hop count 两节点间隔的跳段总数称为两节点间的跳段
跳段距离 hop distance 两节点之间的跳段距离之和称为两节点之间的跳段距离
基础设施 infrastructure 固定设备(卫星、基站等星、基站等。)协助传感器节点定位
到达时间 time of arrival (TOA) 从一个节点到另一个节点所需的时间
到达时间差 time difference of arrival (TDOA) 从一个节点到另一个节点节点所需的时间差异
接收信号强度显示 received signal strength indicator (RSSI) 节点接收到无线信号的强度
到达角度 angle of arrival(AOA 与自己轴的角度相比,节点接收到的信号
视线关系 line of sight (LOS) 两个节点之间没有障碍物,可以直接通信,称为两个节点之间的视线关系
非视线关系 no LOS (NLOS) 两个节点之间有障碍物

3 定位算法分类

根据基础设施的依赖程度、是否需要测距等要求,传感器网络节点定位算法可大致分为几类。

3.1 集中式和分布式

根据对依赖基础设施,定位算法可分为分布式定位法和集中式定位法。

3.1.1 分布式算法

分布式定位算法,指定位算法在本地节点工作,节点与节点之间无直接干扰,所有节点都可以并发独立计算自己的位置

主要无测距分布式定位算法:

  • 质心算法
  • DV-Hop(Distance Vector-hop)算法
  • Amorphous算法
  • APIT(Apporximate Point-in-triangulation Test)算法

3.1.2 集中式算法

集中定位算法需要较强的存储能力和计算能力中心节点,每个节点将将所有定位信息传输到中心节点。中心节点集中处理网络中所有传感器节点的位置信息,然后发送到每个节点。

优点: 从总体规划的角度来看,计算量、存储量几乎无限,可以获得相对准确的位置估计。
缺点: 类似于中心节点的节点会因为通信费用大而过早耗电,导致网络中断,无法实时定位

主要集中算法:

  • 凸规划算法(convex optimization)
  • 质心算法
  • MDS-MAP算法
  • APIT算法

3.2 基于距离与距离无关的算法

是否需要定位算法测量节点间距,将定位算法分为基于距离(Range-Based) 和 **距离无关(Range-Free)**两类算法。

3.2.1 基于距离算法

通过测量基于距离的定位算法从不同节点到目标信号的距离或角度,未知目标节点的位置采用最大似然估计定位法、三角测量定位法和三边测量定位法。

常用定位算法:

  • 角度算法的到达(AOA)
  • 实现时间算法(TOA)
  • 到达时差算法(TDOA)
  • 接收信号能量算法(RSSI)

3.2.2 距离无关算法

算法基础与距离无关网络连通性无需测量距离或角度信息就可以定位信息。

常用定位算法:

  • 质心算法
  • 凸规划算法
  • Amorphous算法
  • DV-Hop算法
  • MDS-MAP算法
  • APIT算法

3.3 绝对定位和相对定位

3.3.1 绝对定位

绝对定位指定位结果是标准坐标位置,如经纬度等。

优点: 可为网络提供唯一的命名空间,节点移动性对定位结果影响较小

绝大多数定位算法都能实现绝对定位。

3.3.2 相对定位

相对定位是以网络监测节点为参考,建立整个网络的相对坐标系统。

优点: 部分路由协议可以在此基础上实现,无需信标节点

常用定位算法:

  • SelfPositioning Algorithm (SPA)
  • Local Positioning System (LSP)
  • SpotON
  • MDS-MAP(根据不同的网络配置实现)

3.4 松散耦合与紧密耦合

3.4.1 松散耦合

松散耦合定位系统是一种节点采用无中心控制器的分布式无线协调方式的定位算法。

优点: 牺牲精确性提高部署灵活性
缺点: 依赖系统间协调和信息实现定位

常用定位算法:

  • Cricket
  • APIT
  • AHLos

3.4.2 紧密耦合

紧密耦合定位系统指信标节点随机部署到固定的位置,通过有线介质连接到中心控制器的定位方式。

优点: 具有较高的精确性和实时性,适用于室内环境,时间同步及信标节点间协调问题易于解决
缺点: 限制了系统的可扩展性,代价较大,无法应用于不限工作不可行的室外环境

常用定位算法:

  • Active Bat
  • Active Badge
  • HiBall Tracker

4 性能评价指标

指标 含义
定位精度 一般用误差值与系统无限射程的比例表示
规模 定位算法可在多大空间内实现定位,或再给定数量的基础设施或时间内,可定位目标的数目
信标节点密度 由于信标节点依赖人工部署(制约网络应用的可扩展性,受网络环境限制)或GPS(费用高)实现,是评价算法的重要指标
节点密度 密度增大将导致网络部署费用提高、阻塞有线宽带(节点间通信冲突)问题
容错性、自适应性 定位算法对环境的适应性越高,定位精度越好
功耗 在保证定位精度的基础上,定位系统的功耗应被降低
代价 定位系统的代价包含时间代价(装配时间、定位时间等)、空间代价(基础设施、网络节点的数量、尺寸等)、资金代价(实现定位系统的总费用)等
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